Kennisplatform over betonconstructies

Hybride wapening voor het voetlicht
Toelichting op invloed van toepassing staalvezels op scheurvorming
Philippe Camiola

do 23 mei 2019
artikel

De optredende scheurwijdte kan worden voorspeld op basis van rekenregels. Het beperken van de scheurwijdte leidt in de praktijk vaak tot hoge wapeningspercentages, zeker bij hoge betonsterkteklassen. Dit kan de uitvoering weer bemoeilijken. Het storten en trillen wordt kritisch, wat kan resulteren in een verminderde kwaliteit van het beton. Zelfs als aan alle regels is voldaan, is overmatige scheurvorming nooit met zekerheid te voorkomen. Toepassing van staalvezels kan uitkomst bieden.

1. De eisen t.a.v. scheurvorming kunnen leiden tot hoge wapeningspercentages

Dat gewapend beton scheurt, is doorgaans een gegeven. Wel moeten de scheuren onder controle worden gehouden. In de SLS (Serviceability Limit State) is het conform Eurocode 2 nodig de scheurwijdte te beperken om aan eisen van duurzaamheid (‘duurzame sterkte’) en bruikbaarheid van de constructie te voldoen. Dat wil zeggen dat wapeningscorrosie, esthetische schade en waterdoorlatendheid moeten worden voorkomen.
Het beperken van de scheurwijdte leidt over het algemeen tot een minimumhoeveelheid wapening. Er zijn ook andere redenen een minimumhoeveelheid wapening aan te houden, bijvoorbeeld om de ductiliteit en veiligheid van een constructie te garanderen. Dit betreft dan de ULS (Ultimate Limit State).

De optredende scheurwijdte kan worden voorspeld op basis van rekenregels. Het beperken van de scheurwijdte leidt in de praktijk vaak tot hoge wapeningspercentages, zeker bij hoge betonsterkteklassen (foto 1). Dit kan de uitvoering weer bemoeilijken. Het storten en trillen wordt kritisch, wat kan resulteren in een verminderde kwaliteit van het beton. Zelfs als aan alle regels is voldaan, is overmatige scheurvorming nooit met zekerheid te voorkomen. Toepassing van staalvezels kan uitkomst bieden.

Kanttekeningen bij scheurwijdte

Bij de beschouwing van scheurwijdte zijn twee kanttekeningen te plaatsen.

In de eerste plaats is de berekende scheurwijdte wk een gemiddelde breedte die kan worden vastgesteld langs een scheur in de betreffende zone van de wapening. Buiten de betreffende zone kunnen de scheuren breder zijn (fig. 2).

Figuur 2. Verloop van de scheurwijdte tussen de wapeningsstaven, volgens EN 1992-1-1

7.11 sr,max=k3c+k1k2k4ρp,eff

7.14 sr,max=1,3(h-x)

In de tweede plaats gaat het vaak over scheurvorming in de ‘effectieve hoogte’. Deze hoogte is de zone rond de trekwapening waarin de scheurvorming door de wapening wordt gecontroleerd. Deze zone heeft een hoogte die 2,5 maal de afstand is tussen het getrokken oppervlak en het hart van de wapening. Hoe groter deze hoogte, hoe meer staal er nodig is om de scheurvorming onder controle te houden. Buiten de effectieve hoogte kunnen de scheuren samenkomen en dus zelfs nog breder worden (fig. 3).
De effectieve hoogte hangt af van de dekking op de wapening, die weer afhankelijk is van de gewenste milieuklasse.

Figuur 3. Scheurvorming in de effectieve hoogte en daarbuiten

Theorie scheurvorming bij traditionele wapening

Eerst wordt nu de theorie van scheurvorming bij toepassing van traditionele wapening toegelicht.

Begintoestand

Bij een op trek belaste, gewapende betonstaaf wordt vanaf een bepaalde hoogte van de trekkracht in een willekeurige doorsnede (de zwakste schakel) de betontreksterkte overschreden. Hier ontstaat de eerste scheur. De volledige trekkracht moet op dat ogenblik door het betonstaal worden opgenomen. De vervorming van het staal is daar dus maximaal, terwijl die van het beton nul is. Naarmate de afstand tot de scheur toeneemt, zal de spanning in de wapening dankzij aanhechtspanningen tussen staal en beton geleidelijk afnemen en zal de spanning in het staal worden overgedragen naar het beton. Op een afstand die gelijk is aan de verankeringslengte van de wapening, zijn de vervorming van staal en beton gelijk. Daar is er geen slip tussen de wapening en het beton (fig. 4).

4. Spanning wapening en beton in op trek belaste staaf bij ontstaan van eerste scheuren

Les        verankeringslengte van de wapening
Les       schijnbare verankeringslengte
εc(x)     rek van beton op een afstand x
ε
s(x)     rek staalwapening op een afstand x
f
c,t        betontrekspanning
Ect        elasticiteitsmodulus van beton onder trek
Fs         trekkracht in staalsectie
Fcrack    trekkracht betonsectie net vóór scheurvorming
sr         scheurafstand
sr,max    maximale scheurafstand

Eindtoestand

Als de vervorming verder toeneemt, worden er volgens hetzelfde proces nieuwe scheuren gevormd. Dit gebeurt als een bepaalde kracht weer naar het beton wordt overgedragen, tot de treksterkte van het beton wordt bereikt (fig. 5). Hoe meer scheuren er zijn, hoe kleiner de afstand tussen twee scheuren. Wanneer er niet voldoende afstand is, is er geen scheurvorming meer mogelijk omdat de trekspanning in het beton niet tot de treksterkte kan worden verhoogd. Als in dit stadium de vervorming nog verder toeneemt, ontstaan geen nieuwe scheuren maar zullen de bestaande scheuren groter worden. Dit is de eindtoestand van de scheurvorming. De minimumafstand tussen de scheuren is dus de verankeringslengte en de maximumafstand is twee maal de verankeringslengte.
In de praktijk bevinden betonconstructies zich bij een verhinderde opgelegde vervorming veelal in een tussentoestand en wordt de eindtoestand van scheurvorming niet bereikt.

5. Spanning in wapening en beton in op trek belaste staaf bij ontstaan meerdere scheuren

Invloed toepassing staalvezels op scheurvorming

Bij toepassing van staalvezels in het beton zullen de vezels elke scheur overbruggen en wordt de betonspanning aan het eind van de scheur (de scheurtip) verminderd (fig. 6). De vezels overbruggen de scheur in willekeurige hoeken. De vezels buigen dus mee, zelfs bij kleine scheurbreedten. De betonspanningen worden lokaal verhoogd door de drukkrachten in de staalvezels evenwijdig aan de scheur. De trekspanningen die dit tot gevolg heeft, veroorzaken daarom secundaire scheuren (fig. 7). Deze zijn vergelijkbaar met de scheuren die zich vormen nabij de ribben van wapeningsstaven.

6. Spanningsverloop rond de scheur bij toepassing staalvezels

7. Vorming secundaire scheuren als gevolg van wrijving tussen beton en staalvezels

Effect van de vezels op de scheurverdeling

Als gevolg van dit fenomeen kan er fragmentatie, vertakking of verschuiving van de scheuren optreden (fig. 8). Er zijn meer scheuren, maar ze zijn minder breed. Hierdoor vermindert de permeabiliteit (dus: langere levensduur) en neemt de haakweerstand tussen de korrels minder af (dus: toename van de toegestane afschuiving).

8. Fragmentatie, vertakking of verschuiving van de scheuren

Theorie scheurvorming bij toepassing staalvezels

Normaal gesproken, bij gebruikelijke doseringen, neemt de weerstand van het beton na de scheurvorming af. Bij toepassing van hoogwaardige vezels in een hoge dosering kan de buigtreksterkte van het beton na scheurvorming groter zijn dan de betontrekspanning van het gedeelte zonder scheurvorming. In dit geval spreken we van strain-hardening in buiging. Dit kan enkel in sommige gevallen, zoals bij de aanwezigheid van een drukzone (voorgespannen constructies of onder druk) of bij een statisch onbepaalde constructie.

De eigenschappen van staalvezelbeton worden bepaald door een Europees genormeerde proef (EN14651). Namelijk, een statisch bepaalde balk die vervormingsgestuurd wordt belast (fig. 9). Voor de meeste staalvezels in normaal verwerkbare doseringen ontstaat strain-softening onder buiging. Voor hoogwaardige vezels kan strain-hardening ontstaan.

9. Relatie kracht-scheurwijdte (CMOD: crack mouth opening displacement); strain-hardening onder buiging (onderbroken curve) strain-softening onder buiging (doorgaande curve)

Invloed toepassing hybride wapening

Het is ook goed mogelijk traditionele wapening te combineren met staalvezelwapening. In dat geval spreken we van hybride wapening. Hierbij kan een deel van de trekspanning worden opgenomen door de vezels. Daardoor is de kracht in de ‘traditionele’ wapening lager en zal de spanning in het staal, de verankeringslengte, de scheurlengte, de scheurbreedte en de afstand tussen de scheuren afnemen.

Anders gezegd: in de scheur valt de spanning niet terug naar nul; er wordt door de vezels kracht overgedragen. De wapening hoeft nu minder te doen in de scheur om elders in het element weer een scheur te laten ontstaan. De vezels overbruggen bovendien alle gescheurde delen, inclusief ongewapende betondekking.

10. Invloed toepassing staalvezelwapening: (links) zonder vezels, (rechts) met vezels

11. Schematisch overzicht van de spanningsverdeling bij een hybride wapening

Begintoestand

Omdat dezelfde hoeveelheid wapening wordt aangehouden, verminderen de toegevoegde vezels de scheurenergie aanzienlijk en zodoende de schijnbare verankeringslengte. Met de vezels worden de zwarte curves uit figuur 11 blauwe curves in figuur 12.

12. Spanning in wapening en beton in op trek belaste, hybride gewapende staaf bij ontstaan eerste scheuren

Eindtoestand

Als gevolg hiervan vermindert de maximumafstand tussen de scheuren en kunnen er een groter aantal scheuren met een kleinere breedte ontstaan (fig. 14).

13. Spanning in wapening en beton in op trek belaste, hybride gewapende staaf bij ontstaan eerste scheuren

14. Verschil tussen beton met traditionele wapening en met hybride wapening

Formule scheurwijdte

De algemene formule voor het berekenen van de scheurwijdte op basis van een hybride wapening (in overeenstemming met de Duitse nationale bijlage bij Eurocode 2: DIN EN 1992-1-1) is:

wk=sr,max·(εfsm-εcm)

sr,max=(1-αf)·ds3,6·effρ                   αf=fctR,s,t=28/fctm,t=28

            (1-αf)·σs·ds3,6·fct,eff                   σs=f{k;kc;hct;fctm;As}

εfsm-εcm=1-αf·σs-0,4·fct,effeffρEs

                     0,6·1-αf·σsEs

 

wk                     de scheurwijdte
sr,max                afstand tussen scheuren
εfsm εcm          vervormingsverschil tussen staal en beton

­­

αf ligt tussen 0 en 1, als:
–     αf = 1, ontstaan er een oneindig aantal scheuren met breedte nul (plastic matrix)
–     αf > 1, niet van toepassing

Conclusie

Het gebruik van staalvezels in combinatie met traditionele wapening zorgt dus voor een afname van de scheurwijdte, waardoor er minder traditionele wapening nodig is.

Reacties

xMet het invullen van dit formulier geef je Cement en relaties toestemming om je informatie toe te sturen over zijn producten, dienstverlening en gerelateerde zaken. Akkoord

Copyright 2019 Aeneas Media

NIEUWE SERVICE

Een mailtje ontvangen bij verschijning van een nieuwe CUR-aanbeveling? 

Aanmelden

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie AccepterenWeigeren