Dwarskracht­ capaciteit van beton met basaltbeugels Experimenteel afstudeeronderzoek naar de bijdrage van beugels van basaltvezelcomposiet aan de dwarskrachtcapaciteit 1 Proefstuk na beproeving bezweken op dwarskracht 1 34?CEMENT?6 2025 Door het hoge energieverbruik en de uitstoot van broeikasgassen bij de productie van staal, zorgt de toepassing van traditionele wape- ning voor een flinke milieu-impact. Daarnaast is staal gevoelig voor corrosie, wat regelmatig leidt tot forse renovatiekos- ten. Basaltvezelcomposiet wapening (Basalt Fibre Reinforced Polymer, BFRP) is een veel - belovend alternatief, met een hogere trek- sterkte en betere corrosiebestendigheid. In een voorgaand Cement-artikel [1] is het buig- en scheurgedrag van beton met BFRP-wapening toegelicht. Dit artikel be- schrijft het gedrag van beton met BFRP- beugelwapening onder dwarskracht. BFRP-beugelwapening BFRP biedt voordelen zoals hogere treksterkte, corrosiebestendigheid en lage milieu-impact. Ondanks deze voordelen is de toepassing van BFRP als dwarskrachtwapening beperkt. Een van de redenen is dat de kunstvezel- composietstaven ? als gevolg van het uithar- den van de kunstharsmatrix ? na productie niet meer buigbaar zijn. Het richten van de staven moet dus tijdens het productieproces gebeuren. Basaltvezelstaven worden veelal ge- produceerd door middel van pultrusie (ge- bruikt voor rechte wapeningsstaven van kunstvezelcomposiet [1, 2]). Deze lenen zich niet voor ombuiging, omdat de vezels in de binnenbocht dan zullen gaan plooien (fig. 2a). Hierdoor kunnen alleen de vezels in de bui- tenbocht bij belasting goed op spanning worden gebracht. Daarnaast worden de bui- tenste vezels van een staafbundel in een ombuiging bovengemiddeld zwaar belast als gevolg van de hoge schuifspanning die op deze buitenste vezels aangrijpt (fig. 2b). Deze effecten tezamen, en het gebrek aan een vloeitraject van basaltvezels die voor interne herverdeling kan zorgen, leiden er bij gebo- gen gepultrudeerde basaltvezelcomposiet- staven toe dat de staven een sterke verzwak- king in de ombuiging vertonen. Een andere reden waardoor de toe- passing van basaltvezelcomposiet als dwars- krachtwapening twijfelachtig is, is de relatief lage rekstijfheid. Hierdoor ontstaan grotere scheurwijdtes dan met stalen beugelwape- ning met gelijke doorsnede-­ oppervlakte. En de wijdte van de dwarskrachtscheuren is sterk bepalend voor de samenwerking tus- sen beton en beugel­ wapening en daarmee voor de effectiviteit van de diverse afschuif- mechanismen die ­ samen de dwarskracht- capaciteit bepalen. Het effect van relatief rekslappe basaltvezelcomposietbeugels op deze mechanismen is nog nauwelijks onder- zocht. Beugelontwerpen In de studie aan de TU Delft zijn twee alterna- tieve BFRP-beugelontwerpen ? gevlochten IR. STEFAN TEEUWEN Projectingenieur Witteveen+Bos IR. PIETER SCHOUTENS Constructeur Witteveen+Bos auteurs Als alternatief voor traditionele stalen beugels kunnen beugels van basaltvezelcomposiet worden toegepast. Op de TU Delft is onderzoek gedaan naar het gedrag van betonnen balken op dwarskracht bij toepassing van deze basalt-beugelwapening. Daartoe zijn riepuntsbuigproeven uitgevoerd op zes gewapende betonbalken met verschillende beugelconfiguraties. CEMENT 6 2025 ?35 2b BFRP-staven en gelamineerde unidirectio- nele (UD) BFRP-strips ? vergeleken met traditionele stalen beugels. Gevlochten staven?Gevlochten BFRP-staven bestaan uit een bundel vezelstrengen (fig. 3), die tijdens het vlechtproces zijn geïmpreg- neerd met epoxyhars (foto 4a en 4b). Voor- dat het opstijven van de hars begint, worden de nog flexibele staven rond een malframe gewikkeld (foto 4c). Daarbij zorgt de vlecht- structuur ervoor dat vezels bij ombuigen ge- makkelijker kunnen herschikken en er dus minder knikken. Gelamineerde unidirectionele strips?Gela- mineerde unidirectionele BFRP-strips wor- den vervaardigd door een aantal lagen gewo- ven unidirectioneel basaltvezeldoek (foto 5a) te impregneren met vloeibare hars en ver- volgens rondom een EPS-kern te wikkelen. Om overtollige epoxy af te voeren en de vezel- lagen te comprimeren, wordt het laminaat hierna in een vacuümzak geplaatst om uit te harden (foto 5b). Uit dit product zijn indivi- duele beugels met gelijke breedte verkregen door er stroken van te zagen en de EPS-kern te verwijderen. Het eindresultaat is een bre- de, dunne stripbeugel met een vrijwel iden- tieke buigradius aan zowel de binnen- als buitenzijde om de mate van vezeluitknikking te minimaliseren. De voltooide BFRP-beugels met de twee alternatieve beugelontwerpen, zoals 2 (a) Geknikte vezels in de bocht van een pultrusiestaaf [3]; (b) spanningsconcentraties in de hoek van een dwarskrachtbeugel [4] 3 Vezelstrengen in een gevlochten BFRP-staaf [5] 4 Productie vlechtstaven: a) impregneren van strengen met epoxyhars, (b) vlechtproces en (c) als continue spiraal opgespannen in rekken (bron: Thoenes Solutions) 2a 3 4a 4b 4c 36?CEMENT?6 2025 5 Productie van stripbeugels: (a) close-up gewoven UD-basaltvezeldoek; (b) wet lay-up rondom EPS-kern in vacuümzak 6 (a) Gevlochten beugel en (b) gelamineerde UD-stripbeugel AFSTUDEERONDERZOEK Dit artikel is gebaseerd op het afstudeer- onderzoek 'Shear Capacity of Concrete Beams Reinforced with Basalt Fibre- Reinforced Polymer Stirrups' dat Stefan Teeuwen heeft uitgevoerd aan de TU Delft, faculteit Civiele Techniek en Geo- wetenschappen, in samenwerking met Witteveen+Bos en met financiering van Rijkswaterstaat. Hij werd voor zijn onderzoek begeleid door dr.ir. Mladena Lukovi?, prof.dr.ir. Max Hendriks, ir. Jelle Bezemer, dr.ir. M. Pavlovi? (allen TU Delft) en ir. Pieter Schoutens (Witteveen+Bos). Ook dr.ir. Sonja Fennis (Rijkswaterstaat) en dr.ir. Kees Blom (TU Delft/Gemeente Rotterdam) hebben bijgedragen. Scan de QR-code voor het afstudeer- rapport. 5a 5b 6a 6b gebruikt in de balkproeven, zijn weergegeven in foto 6a en 6b. Materiaaleigenschappen In voorbereidend onderzoek zijn voor de twee BFRP-beugelvarianten rechte proef- stukken gemaakt (code B voor gevlochten beugels en UD voor de gelamineerde UD- stripbeugel). Hiervan zijn de dichtheid en het vezelaandeel bepaald. Dat geldt ook voor een pultrusiestaaf, die als referentie diende (afkomstig van dezelfde leverancier als in [1]). De resultaten hiervan zijn weergegeven in tabel 1. Op enkele van de proefstukken zijn uniaxiale trekproeven uitgevoerd (foto 7 en 8). De resultaten zijn weergeven in figuur 9 en tabel 2. De resultaten hiervan zijn verge- leken met pultrusiestaven uit het onderzoek in het voorgaande artikel [1]. Voor de metho- diek van deze trekproeven wordt verwezen naar dit artikel. De trekproeven laten zien dat zowel gevlochten staven als de gelamineerde Tabel 1?Dichtheid en vezelaandeel proefstukken BFRP-proefstuk Dichtheid [kg/m³] Vezelaandeel [%] Pultrusiestaaf 2118 61 Gevlochten staaf 1812 54 UD-strip 1848 53 CEMENT 6 2025 ?37 7 8 7 Trekproeven met gevlochten BFRP-staven (v.l.n.r.: B1, B2, B3) 8 Trekproeven met gelamineerde BFRP-strips (v.l.n.r.: UD1, UD2, UD3, UD4) UD-strips een lagere sterkte en stijfheid ver- tonen dan de gepultrudeerde staven. Dit wordt toegeschreven aan het lagere vezel- aandeel (tabel 1) en de niet-axiale oriëntatie (golvigheid) van de vezels in de vlechtstaven en strippen, in tegenstelling tot de parallelle uitlijning in gepultrudeerde staven. Desal- niettemin tonen alle BFRP-trekproefstukken een hogere treksterkte dan staal (B500B), zij het met een aanzienlijk lagere stijfheid van ongeveer 40 GPa in plaats van 200 GPa. In tegenstelling tot staal, dat kan vloei- en, vertoont BFRP een bijna lineair elastisch gedrag tot het breekpunt. Enige afwijking hiervan wordt hoofdzakelijk veroorzaakt door vervormingen in de staafverankering en af- wijkend faalgedrag als delaminatie en langs- scheuren in de gelamineerde vezelstrips. 38?CEMENT?6 2025 0 100 200 300 400 500 600 700 800 00 ,511 ,5 22 ,5 3 spanning [MPa] rek [%] B500B B UD Balkproeven Zes slanke, gewapende betonnen liggers met betonsterkteklasse C30/37 met verschillen- de beugelconfiguraties zijn onderworpen aan verplaatsingsgestuurde driepuntsbuig- proeven om de dwarskrachtcapaciteit en faalmechanismen te bepalen (foto 10). Om de effecten van de BFRP-beugels te isoleren, is ervoor gekozen om in alle balken traditio- nele stalen trek- en drukwapening B500B te gebruiken. De balken zijn zo ontworpen dat er voldoende momentweerstand aanwezig was om de proefstukken op dwarskracht te laten falen. Twee balken zijn versterkt met res- pectievelijk vier gevlochten BFRP-beugels (proefstuk B4) en vier gelamineerde BFRP UD-stripbeugels (proefstuk UD4). In proef- stukken B8 en UD8 is het aantal BFRP- beugels verdubbeld (tot acht). Twee balken dienden als referentie: één zonder beugels (proefstuk NS) en één gewapend met vier stalen beugels (proefstuk S4). De details van de beugelconfiguraties per proefstuk zijn weergegeven in tabel 3 en een typische langsdoorsnede is weergegeven in figuur 11. Meetmethodes?Voor de analyse van de vervorming en het scheurgedrag van de proefstukken is gebruikgemaakt van Digital Image Correlation (DIC). Hiertoe is de zijkant van de balkproefstukken voorzien van een willekeurig zwart spikkelpatroon. Tijdens de belasting van de proefstukken zijn perio- diek foto's gemaakt van dit patroon. De gemaakte foto's zijn vervolgens ingeladen 9 Spanning-rekdiagrammen trekproeven (B = gevlochten staaf, UD = gelamineerde UD-strip, B500B = regulier betonstaal). E-modulus is bepaald in interval ? = 100 tot 200 MPa (omkaderd) Gebogen pultrusiestaven vertonen een sterke verzwakking ter plaatse van de ombuiging Tabel 2?Trekproefresulaten Proefstuk Uiterste trekkracht F u [kN] Dwarsdoorsnede oppervlak A [mm²] Uiterste treksterkte f u [MPa] Breukrek ? u [%] E-modulus E [GPa] Pultrusiestaaf (gemiddelde uit [1]) 57,3 50,3 1141 2,12 53,5 Gevlochten staaf B1 43,9 58 757 2,05 39,6 Gevlochten staaf B2 44,6 58 769 2,19 40,5 Gevlochten staaf B3 42,2 58 727 2,07 41,0 Gemiddelde gevlochten staven 751 2,10 40,4 UD-strip UD1 29,7 57,2 520 1,50 40,6 UD-strip UD2 30,1 56,6 532 1,58 40,6 UD-strip UD3 38,2 55,8 685 2,60 43,8 UD-strip UD4 39,0 55,2 706 1,86 40,5 Gemiddelde UD-strips 706* 1,86* 41,4 * Alleen proefstuk UD4 is succesvol tot bezwijken gebracht in het midden tussen de trekankers, dus de breukspanning en ?rek van dit proefstuk worden als maatgevend beschouwd. De overige proefstukken zijn vroegtijdig bezweken op een niet-representatief bezwijkmechanisme 9 CEMENT 6 2025 ?39 F 62,5 F/2F/2 Ø20 Ø25 100 22512512512512512512512562,5100225 325500325 b = 150 h = 200d = 157 500 2Ø20 2Ø25 in gespecialiseerde software, waarmee het ­ vervormingsgedrag van de proefstukken is geanalyseerd. Hierbij zijn de relatieve ver- plaatsingen van de spikkels in het patroon vergeleken met hun oorspronkelijke posities in de onbelaste toestand. Hierdoor is op nauwkeurige wijze inzicht verkregen in de vervormingen en scheurvorming van het materiaal. Om het rekgedrag van de beugels inzichtelijk te maken, is gebruikgemaakt van Distributed Fibre Optic Sensing (DFOS). Deze techniek maakt gebruik van optische glasvezels en de principes van lichtverstrooiing om vervor- mingen over de hele lengte van de vezel te meten. In dit onderzoek zijn de optische vezels aan de buitenzijde van de beugels ver- lijmd, zodat de rek in de beugels periodiek 11 10 10 Opstelling driepuntsbuigproef 11 Langs- en dwarsdoorsnede voor balk met acht beugels Tabel 3?Overzicht balkproefstukken en details van configuraties beugelwapening Details beugelconfiguratie Proefstuk Aantal en type Spacing [mm] Diameter [mm] Breedte [mm] Dikte [mm] Dwarsdoorsnede per twee benen [mm²] NS - - - - - - S4 4 stalen beugels (B500B) 250 8 - - 100 B4 4 gevlochten BFRP-beugels 250 8 - - 116 B8 8 gevlochten BFRP-beugels 125 8 - - 116 UD4 4 BFRP UD-stripbeugels 250 - 19 2,3 86 UD8 8 BFRP UD-stripbeugels 125 - 19 2,3 86 40?CEMENT?6 2025 0 50 100 150 200 250 02 46 81 01 21 41 6 belasting [kN] doorbuiging t.p.v. midden overspanning [mm] NS S4 B4 B8 UD4 UD8 kon worden gemeten. De verlijmde vezels zijn gesegmenteerd in gebieden A t/m E (fig. 12) om meer inzicht te krijgen in de locatie van eventuele piekspanningen. Resultaten balkproeven De kracht-verplaatsingsdiagrammen voor alle proefstukken zijn weergegeven in figuur 13. Hieruit blijkt dat alle balken dezelfde initiële stijfheid vertonen tot een kracht van onge- veer 90 kN. Rond deze belasting beginnen de eerste dwarskrachtscheuren te ontstaan. Vanaf dit punt verschilt de kracht-verplaat- singsrespons per balk, afhankelijk van de specifieke configuratie van de beugels en de effectiviteit waarmee deze de propagatie van de dwarskrachtscheuren beheerst. Om de prestatie van de BFRP-beugels te bepalen, is de toegenomen dwarskracht- capaciteit ten opzichte van de balkproef zonder beugels (NS) bepaald. De toename aan dwarskrachtcapaciteit is toegekend 12 13 12 Dwarsdoorsnede balk en segmentering van optische vezel verlijmd op de beugel 13 Belasting-doorbuigingsdiagrammen van alle balkproefstukken Zes slanke, gewapende betonnen liggers zijn onderwor- pen aan verplaatsings- gestuurde driepuntsbuig- proeven Tabel 4?Analyse van balkproefresultaten Piekbelasting Dwarskrachtcapaciteit Genormaliseerde beugelprestatie Proefstuk T.p.v. midden [kN] Totaal [kN] Beugelbijdrage [kN] O.b.v. doorsnede-oppervlak [-]O.b.v. massa beugelwapening* [-]  NS 128,5 64,3 - - - S4 238,5 119,3 55,0 (1,0) (1,0) B4 175,5 87,8 23,5 0,37 1,61 B8 213,2 106,6 42,4 0,34 1,45 UD4 168,0 84,0 19,8 0,42 1,79 UD8 183,0 91,5 27,3 0,29 1,24 * Dichtheid BFRP conform tabel 1. Voor de dichtheid van staal (S4) is 7850 kg/m³ gehanteerd CEMENT 6 2025 ?41 aan de beugelwapening. Vervolgens is deze capaciteitstoename als gevolg van de BFRP-­ beugels vergeleken met de variant met sta- len beugelwapening (S4 = 1,0). Hierbij is de relatieve prestatie van de BFRP-beugels zo- wel bepaald naar rato van doorsnede-opper- vlakte van de beugelwapening als naar rato van massa aan beugelwapening (tabel 4). Uit de metingen en waarnemingen aan de proefstukken blijkt het volgende: De variant zonder beugelwapening ver- toont twee duidelijke primaire dwarskracht- scheuren. De variant met stalen beugelwape- ning laat een fijner verdeeld scheurpatroon zien, terwijl de varianten met BFRP-beugels veelal een duidelijke primaire en secundaire dwarskrachtscheur hebben (fig. 14). De maximale rek concentreert zich bij sta- len beugels op de verticale beugelsecties en neemt sterk toe bij overschrijden van de vloeispanning. Bij BFRP-beugels verdeelt de rek zich meer over de omtrek van de beugel, wat duidt op een slechtere aanhechting aan het beton (fig. 15). Het falen van de balken met BFRP-beugels werd geïnitieerd door het bezwijken van één van de beugels in een hoeksectie (foto 16). Conclusies Uit de resultaten van de proeven is het vol- gende te concluderen. Zowel beugels van gevlochten BFRP-staven als beugels uit gelamineerde BFRP UD-vezel- strips zijn in staat om de dwarskrachtcapa- citeit van een gewapend betonnen balk te verhogen. Als gevolg van een lager vezelvolume en niet-parallele vezels hebben gevlochten BFRP-staven en gelamineerde BFRP UD- 14 Scheurgedrag balkproefstukken bij piekbelasting. De stippellijnen geven indicatief de locatie van de beugels in de balk weer Per kg wapening is de bijdrage van basaltvezel- beugels aan de dwarskracht- capaciteit effectiever dan stalen beugels 14 NS S4 B4 UD4 B8 UD8 42?CEMENT?6 2025 Rekprofiel balkproefstuk S4, beugel 4 Locatie x op beugel [mm] 100 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0-100 200 300 400 Rek in beugel [%] 1,41,4 1,4 1,2 1,0 0,8 0,2 0 Rek in beugel [%] Locatie x op beugel [mm] -100 0 100 200 300 400 0,4 0,6 1,6 1,2 Rekprofiel balkproefstuk B4, beugel 4 15 Rekgrafieken bij verschillende belastingniveaus voor (a) typische stalen beugel en (b) BFRP-beugel. Zones A t/m E zoals aangegeven in figuur 12 16 Bezweken BFRP-beugels in de hoeksecties: (a) B4, (b) B8, (c) UD4 en (d) UD8 15a 16a 16c 15b 16b 16d CEMENT 6 2025 ?43 vezelstrips een lagere uniaxiale treksterkte en stijfheid dan gepultrudeerde BFRP-sta- ven. Desondanks is de treksterkte nog steeds hoger dan de vloeispanning van staal. Genormaliseerd naar doorsnede-opper- vlak presteren de gevlochten beugels en stripbeugels gelijkwaardig. De proefstukken met stripbeugels vertoonden echter meer spreiding in de resultaten. Dit wordt toege- kend aan de gebruikte productiemethode, waarbij plooien in de hoeken van de beugel geïntroduceerd werden. Genormaliseerd naar doorsnede-opper- vlak presteren stalen beugels circa drie maal zo goed als BFRP-beugels. Echter, ge- normaliseerd naar massa beugelwapening presteren de BFRP-beugels circa 50% beter dan stalen beugels. Stalen beugels bevorderen de krachtsher- verdeling tussen de individuele beugels, doordat ze kunnen vloeien, met een meer gelijkmatige bijdrage aan de afschuifcapaci- teit tot gevolg. De BFRP-beugels, die geen vloeigedrag vertonen, hebben een ongelijke krachtsverdeling over de beugels. In het geval van BFRP-beugels verspreidt de rek zich over de volledige omtrek van de beugel. Dit suggereert dat de aanhechting tussen BFRP en beton minder effectief is. Daarentegen concentreert de maximale rek zich bij stalen beugels in de verticale secties; vooral wanneer de vloeigrens wordt over- schreden, neemt de rek in deze zones snel toe. De lagere rekstijfheid in BFRP-beugels leidt tot wijdere dwarskrachtscheuren dan bij reguliere stalen beugels. Dit verzwakt de interne afschuifmechanismen in het beton, zoals aggregate interlock en deuvelwerking. Hierdoor bereiken balken met BFRP-beu- gels hun maximale afschuifcapaciteit ruim voordat de uniaxiale treksterkte van de beu- gels volledig is benut. Doordat hierna nog enige herverdeling kan plaatsvinden (in dit geval van beton naar beugels), is het bezwijk- gedrag redelijk ductiel. Discussie Om zeker te zijn dat de liggers zouden be- zwijken op dwarskracht, is een grote hoe- veelheid buigtrekwapening (3,3%) en relatief veel drukwapening toegepast. Deze langs- wapening heeft geresulteerd in aanzienlijke deuvelwerking, wat een forse bijdrage heeft geleverd aan de dwarskrachtcapaciteit van de liggers. Dit effect is deels geïsoleerd door het beproeven van de balk zonder dwars- krachtwapening, maar de interactie van dit mechanisme met andere afschuifmechanis- men (met name aggregate interlock en de effectiviteit van beugelwapening) is verder niet onderzocht. In het onderzoek is elke capaciteitsverhoging bovenop de capaciteit van de ligger zonder beugels, toegeschreven aan de beugelwapening. Hoewel dit onderzoek de potentie van BFRP als dwarskrachtwapening in beton- nen constructies laat zien, moet worden op- gemerkt dat in deze studie geen aandacht is besteed aan de effecten op lange termijn of aan vermoeiingsverschijnselen. Het meene- men van deze factoren zal mogelijk tot af- wijkende bevindingen kunnen leiden. Tot slot Het onderzoek laat zien dat staal niet langer de enige keuze is voor beugelwapening in beton; door onder meer de gunstige sterkte- gewichtsverhouding en corrosiebestendig- heid biedt BFRP een veelbelovend toekomst- perspectief. De praktijk wijst echter uit dat BFRP niet zomaar een directe vervanger is voor stalen beugels: de grotere scheurwijd- tes en ongelijke krachtsverdeling over de beugels resulteren in een fundamenteel an- der dwarskrachtgedrag. De toekomstige Eurocode 2 zal constructeurs houvast bieden voor het ontwerpen van betonconstructies met vezelcomposietwapening, maar voorals- nog beperkt deze zich tot buigtrekwapening. Voordat vanuit de normen met BFRP-beugel- wapening kan worden ontworpen, is aan- vullend onderzoek noodzakelijk; de puzzel is nog niet helemaal gelegd.? LITERATUUR 1?Lingen, Kevin van der, Buig- en scheurgedrag van beton met basaltvezelwapening. Cement 2024/6, pp. 20-28. 2?Leenders, F., Basaltvezelwapening voor busremise. Cement 2024/3, pp. 28-37. 3?Ahmed et al, Bend strength of FRP stirrups: Comparison and evaluation of testing methods. Journal of Composites for Construction 14(1) 2010, pp. 3-10. 4?fib Bulletin No. 40: FRP reinforcement in RC structures (2007). 5?Lindner et al. (2019). Fibre-reinforced polymer stirrup for reinforcing concrete structures. Technologies for Lightweight Structures 3(1) 2019, pp. 17-24. 44?CEMENT?6 2025