Simulatie van onthechtingsmechanismen bij betonconstructies versterkt met uitwendig gelijmde koolstofvezelwapening DOV mei 2004 Ernst Klamer
Afstudeercommissie Prof. dr. ir. D.A. Hordijk (TU/e) Dr. ir. H. Hofmeyer (TU/e) Ir. H.J.M. Janssen (TU/e) Ir. A. de Boer (Bouwdienst Rijkswaterstaat)
Inhoud presentatie Inleiding Probleemstelling Doelstelling Onthechting bij dwarskrachtscheuren Inleiding Berekeningen Conclusies en aanbevelingen Onthechting bij buigscheuren Inleiding Berekeningen Conclusies en aanbevelingen Samenvatting Vragen
Toepassing koolstofvezelwapening Inwendig wapenen Als inwendige wapening (naast staalwapening) Vezelversterkt beton Uitwendig versterken Vergroten van de momentcapaciteit Vergroten van de dwarskrachtcapaciteit Vergroten van de axiale capaciteit Jaren 60 Jaren 90 Versterken met staalstrippen/platen Versterken met vezelwapening (FRP)
Systemen Prefab systemen Strippen Wet lay-up systemen Weefsels Speciale systemen Omwikkelen van kolommen Voorspannen Verankeren
Prefab systemen Vorm: Dikte: Fabricage: Montage: Strippen / lamellen 1,0 tot 1,5 mm Pulltrusie, verharding in de fabriek Lijmen
Voor- en nadelen t.o.v. staal Voordelen Hoge axiale treksterkte (2000-2800 N/mm 2 ) Laag eigen gewicht 2500 Eenvoudige uitvoering 2000 Goede corrosieweerstand 1500 1000 Vele vormen mogelijk (wet lay-up) Stress (N/mm2) 500 CFRP AFRP GFRP Steel plate Nadelen Hoge materiaalkosten De eigenschappen loodrecht op de vezel Brosse breuk Lijm verliest zijn sterkte bij brand 0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 Strain (%)
Berekeningmethoden / regelgeving Internationaal fib Bulletin 14 (juli 2001) Nationaal CUR aanbeveling 91 (Nederland, juni 2002) Concrete Society Technical Report No. 55 (Engeland, 2000)
Probleemstelling (1) Het toepassingsgebied van de CUR aanbeveling 91 is nog vrij beperkt, i.v.m. beperkte kennis en ervaring Gewapende betonconstructies Koolstofvezelwapening Versterken op buiging en dwarskracht Vooralsnog alleen toepasbaar voor minder kritische toepassingen Constructie moet na uitvallen koolstofvezelwapening de belasting met veiligheidsfactoren gelijk aan 1,0 kunnen dragen
Probleemstelling (2) Onthechtingsmechanismen Veelal het maatgevende mechanisme bij een versterkte constructie Geen internationale overeenstemming over de aan te houden modellen Oorzaak van het ontstaan van de onthechting is lastig waar te nemen bij experimenten Er is onvoldoende inzicht in de onthechtingsmechanismen die op kunnen treden bij betonconstructies versterkt met uitwendig gelijmde koolstofvezelwapening
Onthechtingsmechanismen Onthechtingsmechanismen volgens CUR aanbeveling 91 B. Onthechting bij dwarskrachtscheuren C. Onthechting door hoge schuifspanningen D. Onthechting door onvoldoende verankeringslengte E. Eindverankering-dwarskrachtbreuk D A B C Onthechting bij buigscheuren
Onthechting bij dwarskrachtscheuren Verschil in horizontale en verticale verplaatsing aan weerszijden van een dwarskrachtscheur Trek loodrecht op de koolstofvezelwapening Onthechting Beton Dwarskrachtscheur Koolstofvezelwapening Normaalspanningen
Onthechting bij buigscheuren Piek in rek koolstofvezelwapening ter plaatse van buigscheur Hoge schuifspanningen ter plaatse van buigscheur Vervolgens ontstaat er een horizontale scheur Verwacht wordt dat de onthechting niet doorzet Niet opgenomen in de CUR aanbeveling 91 Buigscheur Beton ε Koolstofvezelwapening τ buigscheur
Doelstelling het vergroten van het inzicht in de onthechtingsmechanismen die op kunnen treden bij betonconstructies versterkt met uitwendig gelijmde koolstofvezelwapening, om zo de regelgeving die er op dit moment bestaat eventueel verder uit te werken, te verbeteren en/of te optimaliseren Hoe kan men dit inzicht vergroten Experimenteel onderzoek Numeriek onderzoek
Experimenteel onderzoek TU/e Bron: T9 project (TU/e) en afstudeerproject L. Bukman (TU/e)
Experimenteel onderzoek TU/e Bron: T9 project (TU/e) en afstudeerproject L. Bukman (TU/e)
Opzet numeriek onderzoek Onthechting bij dwarskrachtscheuren Belasten scheuren onthechten Lineair elastische berekening Ter verificatie van het model Niet-lineaire berekening zonder onthechting Last-zakkingsdiagram tot bezwijken (zonder onthechting) Scheurvorming Niet-lineaire berekening met onthechting Daadwerkelijke simulatie van de onthechting bij dwarskrachtscheuren
Controle numerieke modellen Berekening Eindige elementen modellen Met behulp van DIANA 8.1 Bron- / vergelijkingsmateriaal Analytisch model Scheur-, vloei- en bezwijkbelasting Onthechtingsmechanismen volgens CUR aanbeveling 91 Experimentele resultaten (TU/e) Proeven T9 van T. Hendriks, W. van Adrichem en W. Savelkouls Afstudeeronderzoek L. Bukman
Lineair elastische berekening Balk 1 uit het experimentele onderzoek (TU/e) Analytische berekening EEM berekening balkmodel EEM berekening schijfmodel
Conclusies lineair elastisch Vergelijkbare resultaten analytische berekening en EEM berekeningen Verschil in vervorming dwarskrachtvervorming Vervolg van het onderzoek schijfmodel Inclusief dwarskrachtvervorming Resultaten beter zichtbaar te maken (bijvoorbeeld de rekken en spanningen in de lengtedoorsnede)
Niet lineaire berekening zonder onthechting Schijfmodel Last-zakkingsdiagram tot bezwijken (zonder onthechting) Scheurvorming 450 y Wapening 0 0 x 1800 2000
Niet lineaire berekening zonder onthechting Materiaaleigenschappen Beton Scheuren Stuiken 53,2 N/mm 2 E = 30.600 N/mm 2 1,74 (* 10-3 ) Wapening Vloeien 560 N/mm 2 E = 210.000 N/mm 2 2,67 (* 10-3 )
Niet lineaire berekening zonder onthechting Materiaaleigenschappen Koolstofvezelwapening Bros breken 2.800 N/mm 2 E = 165.000 N/mm 2 17 (* 10-3 ) Lijm Lineair elastisch E = 12.800 N/mm 2 (* 10-3 )
Niet lineaire berekening zonder onthechting Vergelijking last-zakkingsdiagram 200 180 160 175 kn (Bezwiijken) 166 kn (Bezwijken) 140 Puntlast [ kn ] 120 100 80 Vloeien wapening 117 kn (Onthechten) 82 kn (Bezwijken) 60 40 20 Scheuren Onversterkte (Eindige elementen methode) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 doorbuiging van midden balk [mm] Versterkt (Analytisch) Versterkt (Eindige Elementen berekening) Versterkt (Experimenteel)
Niet lineaire berekening zonder onthechting Vergelijking scheurvorming
Conclusies berekening zonder onthechting Last-zakkingsdiagram komt goed overeen Scheurvorming komt goed overeen Geen onthechting gevonden Oorzaak: Geen verschil in verticale verplaatsing aan weerszijden (uitgesmeerde) dwarskrachtscheuren Uitbreiding niet lineaire berekening om onthechting te vinden Toevoegen discrete dwarskrachtscheur Toevoegen netverfijning Toevoegen hechtlaag tussen beton en lijmlaag
Niet lineaire berekening met onthechting Toevoegen discrete dwarskrachtscheur en netverfijning Niet lineaire berekening zonder onthechting Niet lineaire berekening met onthechting
Niet lineaire berekening met onthechting Discrete dwarskrachtscheur Interface-elementen Lineaire tension softening (y-richting) Afschuifstijfheid na scheuren = 0 (x-richting) t x y 5 6 uy ux 4 ty x 2 3 z 1 (a) topologie (b) verplaatsingen (c) tracties
Niet lineaire berekening met onthechting Hechtlaag Interface-elementen (tussen beton en lijm) Brosse breuk (y-richting) Afschuifstijfheid na scheuren 0 (x-richting) 0,1 mm Discrete scheur Beton Hechtlaag Lijmlaag Koolstofvezelwapening 0,1 mm 1,5 mm 1,2 mm
Niet lineaire berekening met onthechting Eindige elementen berekening Vergelijking last-zakkingsdiagrammen 200 180 160 175 kn (Bezwiijken) 166 kn (Bezwijken) Puntlast [ kn ] 140 120 100 80 60 Vloeien wapening 139 kn (Onthechten??) 117 kn (Onthechten) x 110 kn (Onthechtingsmechanisme A (CUR aanbeveling 91)) EEM zonder onthechting EEM met onthechting Experimenteel onderzoek Analytisch model 40 20 Scheuren 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 doorbuiging van midden balk [ mm ]
Niet lineaire berekening met onthechting Vergelijking scheurvorming Niet lineaire berekening zonder onthechting Niet lineaire berekening met onthechting
Niet lineaire berekening met onthechting Discrete dwarskrachtscheur
Niet lineaire berekening met onthechting Onthechting bij dwarskrachtscheur
Niet lineaire berekening met onthechting Relatieve verplaatsing hechtlaag (loodrecht op koolstofvezelwap.)
Niet lineaire berekening met onthechting Spanning hechtlaag (loodrecht op koolstofvezelwapening)
Conclusies onthechting bij dwarskrachtscheuren Vergroten inzicht in onthechtingsmechanisme A Eerste stappen van onthechten bij dwarskrachtscheur zijn goed te simuleren met eindige elementen model Onthechtingsbelasting ligt in de zelfde orde van grootte als onthechtingsbelasting volgens de CUR aanbeveling 91 en als bij de experimenten Schuifspanningen naast de discrete scheur aan de hoge kant Regelgeving Voor deze specifieke balk lijkt het niet nodig om aanpassingen te doen aan de regelgeving Nog niet mogelijk om verdere uitspraak te doen over regelgeving
Aanbevelingen mechanisme A Nader onderzoek naar hoge schuifspanningen in de hechtlaag ter plaatse van de dwarskrachtscheur (eerder onthechting?) Ontwikkelen van een element waarbij een relatie kan worden gelegd tussen onthechting in de afschuifrichting en onthechting in de normaalrichting Nader onderzoek naar verdere onthechting koolstofvezelwapening Onderzoek uitbreiden met een parameterstudie naar de verschillende relevante eigenschappen bij het onthechten
Onthechting bij buigscheuren Balk 3 uit het experimentele onderzoek (TU/e)
Opzet numeriek onderzoek Onthechting bij buigscheuren Belasten (buig)scheuren hoge schuifspanning onthechten? Niet-lineaire berekening zonder onthechting Last-zakkingsdiagram tot bezwijken (zonder onthechting) Scheurvorming Niet-lineaire berekening met onthechting Daadwerkelijke simulatie van onthechting bij buigscheuren Bron- / vergelijkingsmateriaal Analytisch model Experimentele resultaten (TU/e)
Modellen niet-lineaire berekening 450 0 y Zonder onthechting (Smeared crack model) Wapening Zonder onthechting 0 x 1665 2000 450 0 y Met onthechting (Hecht-slip model) Wapening Met onthechting 0 x 1665 2000
Hechtlaag Interface-elementen Hecht-slipeigenschappen (x-richting) Lineair elastisch (y-richting) y 5 6 4 x 2 3 z 1 (a) topologie
Last-zakkingsdiagram 200 180 Breuk koolstofvezelwapening (195 kn) Betonstuik (180 kn) Betonstuik (183 kn) 160 140 Onthechting? (155 kn) Vloeien Onthechting (153 kn) Puntlast [ kn ] 120 100 80 Analytisch Zonder onthechting Met onthechting Experimenteel 60 40 20 Scheuren 0 0 10 20 30 40 50 60 70 doorbuiging midden balk [ mm ]
Scheurvorming Niet lineaire berekening zonder onthechting Niet lineaire berekening met onthechting
Onthechting (slip)
Schuifspanning in de hechtlaag 7 6 5 4 3 spanning [N/mm2] 2 1 0 0-1 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 250 275 275 300 300 325 325 350 350 375 375 400 400 425 425-2 43 kn (voor terugval) 43 kn (voor terugval) 43 42 kn (voor (na terugval) 42 kn (na 149 terugval) kn 39 kn (na terugval) 155 kn -3-4 -5-6 -7 afstand vanaf midden balk [ [ mm ] ]
Schuifspanning in de hechtlaag 7 6 5 4 3 2 s p a n n i n g [ N / m m 2 ] - - 1 0 3 7 0 1 3 7 5 3 8 0 3 8 5 3 9 0 3 9 5 4 0 0 4 0 5 4 1 0 4 1 5 2 1 4 9 k N 1 5 5 k N ε - 3-4 - 5-6 - 7 a f s t a n d v a n a f m i d d e n b a l k [ m m ] τ buigscheur
Scheurvorming 149 kn 150 kn 155 kn
Conclusies onthechting bij buigscheuren Vergroten inzicht in onthechting bij buigscheuren Simulatie onthechtingsmechanisme gedeeltelijk mogelijk Er ontstaan hoge schuifspanningen ter plaatse van buigscheuren Terugval in schuifspanning niet te zien omdat er geen afbreekcriterium / softening is toegepast Niet duidelijk waar te nemen of onthechting doorzet Beton onder de onderwapening vrijwel volledig gescheurd Regelgeving Nog niet mogelijk om uitspraken te doen over de regelgeving
Aanbevelingen onthechting bij buigscheuren Onderzoek naar een model met discrete buigscheuren in plaats van uitgesmeerde buigscheuren (hogere schuifspanningen?) Onderzoek uitbreiden met Ontwikkelen van een element waarbij een relatie kan worden gelegd tussen onthechting afschuifrichting eigenschappen normaalrichting (User supplied subroutines) Nader onderzoek naar hecht-eigenschappen op het grensvlak lijmlaag beton Onderzoek uitbreiden met een parameterstudie naar de verschillende relevante eigenschappen bij het onthechten
Samenvatting Conclusies Onthechting bij dwarskrachtscheuren inzichtelijk te maken met een eindige elementen berekening Onthechting bij dwarskrachtscheuren in zelfde orde van grootte als CUR aanbeveling 91 en experiment Onthechting bij buigscheuren behoeft verder onderzoek Uitspraken over regelgeving nog niet mogelijk Aanbevelingen Modellen bruikbaar als uitgangspunt voor vervolgonderzoek, eventueel na aanpassing materiaaleigenschappen hechtlaag Onderzoek uitbreiden met parameteronderzoek Overige onthechtingsmechanismen verder onderzoeken
Vragen Inleiding Probleemstelling Doelstelling Onthechting bij dwarskrachtscheuren Onthechting bij buigscheuren Samenvatting Vragen