themaKoolstofvezelwapening120108themaKoolstof-vezelwapeningVersterken van betonconstructies met uitwendig opgelijmde koolstofvezelwapeningheeft sinds het begin van de jaren '90 een enorme vlucht genomen. Dit was medemogelijk vanwege de vele in het buitenland uitgevoerde onderzoeken en hetbeschikbaar komen van ontwerprichtlijnen. Een aspect dat daarbij tot voor kort nogslechts beperkte aandacht heeft gekregen, is de invloed van temperatuur op deversterking. Onderzoek op de TU Eindhoven heeft meer duidelijkheid gebracht.1Promotieonderzoek naar de invloed van temperatuurKoolstofvezelwapening 12010 91 Onthechting van de koolstofvezelwapening2 Onthechtingsmechanismen3 Schematische weergave voor de sterkte en stijf-heid van de lijm als functie van temperatuurIn dergelijke proeven wordt alleen de invloed van temperatuurop de op afschuiving belaste lijmlaag onderzocht. Bij onthech-ting in balken en vloeren (fig. 2) spelen echter meer effecteneen rol, zoals scheuren in het beton loodrecht op de koolstofve-zelwapening, vloeien van de staalwapening, een andere span-ningsverdeling in de koolstofvezelwapening, enz. Daarnaastkunnen thermische spanningen in kleine afschuifproeven eengunstig effect hebben op de bezwijkbelasting (thermischeschuifspanning in een richting tegengesteld aan schuifspannin-gen door belasting). Dat terwijl thermische spanningen bij opbuiging belaste versterkte balken juist een negatief effectkunnen hebben. Er is daarom besloten een testprogramma opte zetten, waarin de invloed van temperatuur op 4 m langeversterkte balken is onderzocht, bij 20, 50 en 70 ?C. Naast hetexperimentele onderzoek, zijn deze balken ook uitvoeriggeanalyseerd met het eindige-elementenprogramma DIANA.Test programmaIn het onderzoek [1,3] zijn vier verschillende balkconfiguratieszodanig gedimensioneerd dat de vier onthechtingsmechanis-men volgens CUR Aanbeveling 91 [2] rekentechnisch ieder ??nkeer optreden. Tussen de verschillende balkconfiguraties zijnde betonsterkte, de breedte van de koolstofvezelwapening en deafstand tussen het einde van de koolstofvezelwapening en deoplegging gevarieerd (tabel 1).dr.ir. Ernst Klamer1)Corsmit Raadgevend Ingenieurs,a company of Royal Haskoning /TU Eindhoven, fac. Bouwkundeprof.dr.ir. Dick HordijkAdviesbureau ir. J.G. Hageman B.V. /TU Eindhoven, fac. Bouwkundeprof.ir. Cees KleinmanTU Eindhoven, fac. Bouwkunde1) dr.ir. Ernst Klamer is gepromoveerd op het onderzoek `Influence of temperatureon concrete beams strengthened in flexure with CFRP'. Dit onderzoek is uitge-voerd aan de TU Eindhoven onder begeleiding van prof.dr.ir. Dick Hordijk enprof.ir. Cees Kleinman. Het onderzoek is uitgevoerd met steun van SIKA Neder-land B.V. en Rijkswaterstaat. De inbreng van ir. Michael Hermes, die zijn master-onderzoek [3] in het kader van dit onderzoek heeft uitgevoerd, is bijzondergewaardeerd.Het bezwijken van een betonconstructie met uitwendig opge-lijmde koolstofvezelwapening wordt over het algemeen bepaalddoor het onthechten van de koolstofvezelwapening. CUR-Aanbeveling 91 [2] geeft rekenregels waarmee het ontwerp opverschillende onthechtingsmechanismen kan worden getoetst.De onthechtingsmechanismen die in deze aanbeveling wordenonderscheiden zijn (fig. 2):a onthechting bij dwarskrachtscheuren;b onthechting door hoge schuifspanning;c onthechting door onvoldoende verankeringslengte;d eindverankering-dwarskrachtbreuk.Temperatuur heeft diverse effecten op een met koolstofvezel-wapening versterkte betonconstructie.Zo is er een significant verschil in uitzettingsco?ffici?nt tussenkoolstofvezelwapening (f -1 x 10-6/?C) en beton (c 10 x10-6/?C), wat bij een temperatuursverandering zal resulteren inthermische spanningen in het beton en in de koolstofvezelwa-pening. Daarnaast nemen de mechanische eigenschappen,zoals sterkte en stijfheid, van de lijm af bij een toename van detemperatuur. Deze afname wordt met name significant rond deglas-rubberovergangstemperatuur van de lijm (Tg) (fig. 3).Doel van het promotieonderzoek was het bepalen van deinvloed van temperatuur op betonconstructies versterkt metuitwendig opgelijmde koolstofvezelwapening. Tot op heden isonderzoek naar de invloed van temperatuur in zeer beperkteomvang uitgevoerd. Hierbij zijn slechts afschuifproeven opkleine proefstukken uitgevoerd in zogenoemde `double-lapshear tests' of in buigproeven. In het onderhavige onderzoekzijn dergelijke proeven ook uitgevoerd, waarbij met rekstrook-jes de rek in de koolstofstrip is gemeten (fig. 4).c a dkoolstofvezelwapeningstaalwapening b0 25 50 75 100temperatuur [?C]sterkte/stijfheidTg23themaKoolstofvezelwapening12010104 Proefopzet van`double-lap shear test'endriepuntsbuigproef, waarbij met klemmende plaats van onthechten is bepaald, zodatdaar rekken konden worden gemeten.5 Beproevingsschema6 Testopstelling7 Rekverloop tijdens het opwarmen van eenbalk naar 50?C (de afstand van de rekstrooktot het einde van de strip is bij de rekmetin-gen aangegeven).Van elke balkconfiguratie zijn drie balken gestort, die bij drieverschillende temperaturen zijn beproefd: bij 20?C (referentie),bij 50?C, (iets onder de glas-rubberovergangstemperatuur) enbij 70?C (net iets boven de glas-rubberovergangstemperatuur).De twaalf balken zijn beproefd in een vierpunts-buigproef mettwee hydraulische cilinders (fig. 5). De balken hadden eenafmeting van 200 ? 450 ? 4000 mm3en een overspanning van3,8 m. Ze waren gewapend met 4?12 als onderwapening, 2?8als bovenwapening en beugels ?8-100 (?8-250 in het midden)(FeB 500 HWL, HK).De balken zijn versterkt met SIKA CarboDur koolstofvezelwa-peningslamellen met een dikte van 1,2 mm, een treksterkte van2800 N/mm? en een elasticiteitsmodulus van 165 000 N/mm?.Na het zandstralen en reinigen van het betonoppervlak zijn delamellen op het betonoppervlak gelijmd met een tweecompo-nenten epoxylijm (SikaDur-30). De lijmlaag was ongeveer 1,5mm dik, had een treksterkte van circa 27 N/mm?, een E-modu-Tabel 1 Testprogrammabalk verwacht onthechtingsmechanisme betonsterkteklasse breedte koolstof-vezelwapening (bf)afstand einde striptot oplegging (L)Ab) onthechting door hoge schuif-spanningenC20/25 50 mm 100 mmBa) onthechting bij dwarskracht-scheurenC45/55 80 mm 100 mmCc) onthechting door onvoldoendeverankeringslengteC45/55 80 mm 300 mmD d) eindverankering-dwarskrachtbreuk C20/25 150 mm 100 mmkoolstofvezel-wapeninglijmklemmenFdraadeindFkoolstofvezel-wapeninglijmklemmenFzaagsnedeF FL L450 mm100 mm 1250 mm 1300 mm3800 mm - 2Lbgls ? 8 - 250 mm bgls ? 8 - 100 mm2 ? 8 mm4 ? 12 mm1250 mm 100 mm200 mmlus van 12 800 N/mm? (bij kamertemperatuur) en een glas-rubberovergangstemperatuur van 62?C. Rond de proefopstel-ling is een ge?soleerde kamer gemaakt, voorzien van ramen.Daardoor kon het onthechten van de koolstofvezelwapeningworden waargenomen tijdens de proef (foto 6).De ge?soleerde kamer was onderdeel van een gesloten luchtcir-cuit. De door een luchtverwarmingsunit (6,6 kW) verwarmdelucht werd de ge?soleerde kamer ingeblazen en gecirculeerd doormiddel van een ventilator. Kleine computerventilators werdengebruikt om de warmte gelijkmatig te verspreiden tussen deonder- en bovenzijde van de balk. De luchttemperatuur en ?drukwerden gecontroleerd door een klimaatcontrolesysteem. Detemperatuur van de balk werd gemeten met behulp van thermo-koppels, zowel in de betonnen balk als aan het betonoppervlak.De verplaatsing van de balk werd gemeten met behulp van vijfLVDT's. Daarnaast zijn op de koolstofvezelwapening rekstrook-jes aangebracht, waarmee de rek gedurende het verwarmen enbelasten over de lengte van de koolstofstrippen is gemeten.ResultatenVoor de resultaten op de kleinschalige proeven wordt verwezennaar [1]. Navolgend wordt alleen ingegaan op de balkproeven.Tijdens het opwarmen van de proefstukken zijn de rekken inde koolstofvezelwapening gemeten (fig. 7). Bij een toename vande temperatuur neemt de rek in de koolstofvezelwapening opde meeste plaatsen toe. De strip, die zelf niet wil uitzetten,45Koolstofvezelwapening 12010 11vloeden dwarskrachtscheuren het onthechten in dit gebied.Het feit dat de temperatuur weinig tot geen invloed op dezebalken had, is gerelateerd aan het feit dat de meeste tempera-tuurseffecten aan het einde van de strip optreden. Zo is dethermische spanning in de koolstofvezelwapening ten gevolgevan het verschil in uitzettingsco?ffici?nt constant in het gebiedwaar onthechting optreedt. Hierdoor treden er ook geen additi-onele thermische schuifspanningen in het beton op in ditgebied. Van groot belang is dat er bij deze balken voldoendeverankeringslengte aanwezig was voor een goede verankeringvan de koolstofvezelwapening. Het toepassen van een tempera-wordt door het uitzetten van de betonnen balk, toch verlengd.Aan het einde van de strip bleek de rek in eerste instantie ooktoe te nemen, maar na ongeveer een uur nam daar de rek weeraf. Dit werd veroorzaakt door kruip van de lijm, wat vooral bijhogere temperaturen grote invloed heeft.Het gevolg van een afname van de rek aan het einde van destrip, en daarmee de spanningen in de koolstofvezelwapening,is dat de schuifspanningen in het beton ook afnemen. Hierdoorworden thermische (schuif)spanningen door de temperatuurs-verandering aan het einde van de strip gedeeltelijk tenietge-daan. Dit heeft een gunstig effect, want de be?indiging van destrip is vanwege de discontinu?teit met zowel schuif- alsnormaalspanningen, een potenti?le plaats voor onthechting.Na het opwarmen zijn de balken belast tot bezwijken. Fig. 8at.m. d geven de last-zakkingsdiagrammen weer van de verschil-lende balkconfiguraties (tabel 1).Balken A en BDe balken A en B vertoonden vrijwel geen verschil in de last-zakkingsdiagrammen bij de verschillende temperaturen. Allebalken A en B bezweken na het onthechten van de koolstofve-zelwapening (foto 1). Het onthechten begon aan ??n zijde, netbuiten het gebied tussen de twee puntlasten, en plantte zichvoort naar het einde van de strip op een vrij explosieve manier.In dit gebied ontwikkelen zich hoge schuifspanningen in hetbeton, op de grens met de lijmlaag, door een verschil inbuigend moment over de lengte van de balk. Daarnaast be?n-3503002502001501005000 1 2 3 4 5 6 770afstand tot einde striptemperatuur600 mm100 mm1200 mm900 mm1500 mm1800 mm6050403020100rek[m/m]temperatuur[?C]tijd (uur)67themaKoolstofvezelwapening1201012Uit eindige-elementenanalyses met DIANA bleek dat dezeafname voornamelijk gerelateerd was aan de (geringe) afnamevan de sterkte van beton, en in mindere mate aan de thermi-sche spanningen die aan het einde van de strip ontstaan. Hetbleek mogelijk om het gedrag, inclusief onthechten, van deversterkte balken goed te simuleren met ??n en dezelfde setvan invoerparameters. In figuur 10 staat een voorbeeld van detuurscyclus tijdens het verwarmen van de balken naar 70?C,waardoor de glas-rubberovergangstemperatuur enigszins hogerwordt, speelt eveneens een rol.Balk CDe bezwijkbelasting van balk C bij 70?C was aanzienlijk lagerdan de balken C die werden beproefd bij 20?C en 50?C. Dezebalk bezweek net na het vloeien van de inwendige staalwape-ning. Balk C bezweek bij alle temperaturen na onthechting inde verankeringszone, aan het einde van de strip. In dit gebiedconcentreren zich verschillende effecten van temperatuur. Hetverschil in uitzettingsco?ffici?nt resulteert in additionele ther-mische schuifspanningen in de verankeringszone, ondanks deafname daarvan door kruip. Daarnaast neemt de hechtsterktevan de verbinding tussen beton en koolstofvezelwapening af,terwijl de verankeringslengte juist moet toenemen door deafname in stijfheid van de lijm. Als de toegenomen benodigdeverankeringslengte niet beschikbaar is, zal de capaciteitafnemen. De combinatie van deze effecten heeft geleid tot delagere bezwijkbelasting bij 70?C.Balk DBalk D liet slechts een kleine afname van de bezwijklast zien bijeen toename van de temperatuur. Deze balken bezweken na hetontstaan van een scheur aan het einde van de strip die zichverticaal omhoog voorplantte, waarna de betondekking ervervolgens werd afgepeld (foto 9).020406080100120140160-45-40-35-30-25-20-15-10-5070?C50?C20?Cdoorbuiging [mm]93 kN (analytische bezwijkbelasting)104 kN (70?C)102 kN (20?C)102 kN (50?C)kracht[kN]020406080100120140160-45-40-35-30-25-20-15-10-5070?C50?C20?Cdoorbuiging [mm]125 kN (analytische bezwijkbelasting)133 kN (50?C)120 kN (20?C)122 kN (70?C)kracht[kN]020406080100120140160-45-40-35-30-25-20-15-10-5070?C50?C20?Cdoorbuiging [mm]86 kN (analytischebezwijkbelasting)150 kN (20?C)142 kN (50?C)kracht[kN]135 kN (70?C)ontlast (20?C)020406080100120140160180-45-40-35-30-25-20-15-10-50doorbuiging [mm]168 kN (analytische bezwijkbelasting)116 kN (analytischebezwijkbelasting(ontwerpwaarde))kracht[kN]70?C50?C20?C91 kN (70?C) 131 kN (50?C)132 kN (20?C)8b8d8c8a9Koolstofvezelwapening 138 Kracht-verplaatsingsdiagram balk A t.m. D9 Afpellen van de betondekking10 Vergelijking kracht-verplaatsingsdiagram volgens DIANA en volgens het experimentvoor balk D bij 50?C11 Scheurpatroon bij de maximale belasting en na het onthechten voor balk D bij 50?C12 Normaalspanningen in de koolstofvezelwapening voor balk D bij 50?Cresultaten van de numerieke analyses voor balk D bij 50?C.Nadat in de DIANA berekening de belasting bij 130 kN nietverder kon worden opgevoerd, werd alsnog opnieuw even-wicht gevonden bij een kracht van 121 kN. De rekken lietenduidelijk zien waar onthechten en het afpellen van de dekkingwerd ge?nitieerd (fig. 11). Figuur 12 laat de ontwikkeling vande rek bij toenemende belasting zien. Vergelijkbare resultatenzijn gevonden voor de andere balken met initiatie vanonthechten op andere plaatsen.ConclusiesHet onderzoek naar het gedrag van op buiging belaste beton-constructies die zijn versterkt met opgelijmde koolstofvezelwa-pening bij verschillende temperaturen heeft het inzicht sterkvergroot. Het heeft aangetoond dat de invloed van verhoogdetemperatuur beperkt is, zolang de temperatuur circa 10?C tot20?C onder de glas-rubberovergangstemperatuur van de lijmblijft. In dat temperatuurgebied zijn geen speciale maatregelenbenodigd. Desalniettemin is het aan te bevelen de versterkingzodanig te ontwerpen dat onthechting door onvoldoendeverankeringslengte niet maatgevend is.Onthechting treedt zeer lokaal op en vraagt om een fijnelementennet ondanks de relatief grote afmetingen van debalken. De resultaten van de berekeningen met DIANA hebbenlaten zien dat dit met een eindige-elementenberekening goed temodelleren is. doorbuiging [mm]kracht[kN]experiment (142 kN)FE-analysis (130 kN)020406080100120140160-60-40-200130 kN(max. kracht)121 kN(na max. kracht)afpellenbetondekkingonthechting01002003004005006007008009001000afstand vanaf het einde van de balk [mm]onthechtinginitiatieafpellenbetondekking130 kN120 kN110 kN100 kN90 kN60 kN30 kN2000160012008004000 Tnormaalspanning[N/mm?]101112 LitEratuur1 Klamer, E.L., Influence of temperature on concrete beams strengthened inflexure with CFRP. Bouwstenen 136, Proefschrift TU Eindhoven, 2009.2 CUR Aanbeveling 91. Versterken van gewapend-betonconstructies metuitwendig gelijmde koolstofvezelwapening. 2de ed., Stichting CUR, 2007.3 Hermes, M., The influence of temperature on reinforced concrete structu-res strengthened with externally bonded carbon fiber reinforced poly-mers. A-2006.08. Afstudeerrapport TU Eindhoven, 2006.