C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWapening34 cement 2008 3ir. G.J. van Tol, Sch?ck NederlandWapening in beton wordt standaard vervaardigd uitbetonstaal of voorspanstaal. In normen is nauwkeurigvastgelegd hoe moet worden geconstrueerd met dezematerialen. Maar soms is de aanwezigheid van staal inbeton ongewenst of is de alkalische bescherming van hetbeton niet voldoende duurzaam. In deze constructies isde toepassing van wapening met glasvezelstaven eengoed alternatief.T o e p a s s i n gGlasvezelstaven zijn bundels van glasvezels, omhuldmet epoxyhars (GFRP=glass fibre reinforcedpolymer) die worden voorzien van een ruw oppervlak,bijvoorbeeld door zandkorrels of een aangebrachteprofilering. Een van de voordelen van glasvezelstavenis dat het niet corrodeert. Dit biedt uitkomst bij:? maritieme toepassingen;? constructies die in aanraking komen met dooizouten;? toepassingen met agressieve omgevingen;? betonelementen met een zeer geringe dekking.Glasvezelwapening kan ook worden toegepast alsstaal ongewenst is. Bijvoorbeeld:? als wapening niet elektrisch geleidend mag zijn;? situaties met zwerfstroom (spoorlijnen);? constructies waar magnetische wapening onge-wenst is (ziekenhuizen, laboratoria, elektrischegeneratoren etc.);? constructies waar staalwapening signalen stoort(detectielussen etc.);? constructies waarin eenvoudig door gewapendbeton geboord moet kunnen worden (boortunnel);? constructies waar de warmtegeleiding van staalwa-pening ongewenst is (hollewandsysteem met isola-tie tussen de schillen).Nieuwe oplossing voor duurzame constructiesGlasvezelstaven voortoepassing als wapeningin beton1 |Voorbeelden vanglasvezelwapening3 |Waterkering inBlackpool, Engeland2 |Brugrand te Ontario,CanadaC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWapeningcement 2008 3 35De eerste onderzoeken naar glasvezelstaven als wape-ning in beton werden uitgevoerd in de VerenigdeStaten in de zestiger jaren. De eerste grootschaligetoepassing in Nederland vond plaats bij de bouw vande Noord-Zuidlijn in Amsterdam (2003). Hierbij ishet gedeelte van de diepwand waar de tunnelboorma-chine (TBM) doorheen boort met glasvezelstavengewapend. Hierdoor wordt het vastlopen of overma-tige slijtage van de boorkop voorkomen. Enkeleandere toepassingen in Nederland: Randstadrail,tramtrac? (voorkomen storing signalen), trekankeronder spoorbaan (duurzaam i.v.m. zwerfstromen),fundatie onderzoeklaboratorium (niet-magnetisch).M a t e r i a a l e i g e n s c h a p p e nDe eigenschappen van glasvezelstaven worden bepaalddoor de toegepaste materialen (glasvezels, epoxyhar-sen) en door de wijze van productie. Het percentageglasvezels in de doorsnede bepaalt de E-modulus en desterkte van de staaf. Het toegepaste glas is meestal vanhet type ECR-glas (E-Glass Corrosion Resistant). Dezeglassoort is namelijk zeer resistent tegen corrosie inalkalische milieus. Toepassing van standaard E-glas inbeton leidt tot een snelle afname van de sterkte en isdaarom niet duurzaam.De toegepaste epoxyhars is bepalend voor de karakte-ristiek van de krachtsoverdracht van de wapening ophet beton, en voor de veroudering van de staven. Dereceptuur verschilt per producent. Vaak bestaat debasis uit vinyl-esters. Hiermee wordt een chemischbestendig product verkregen, dat ook in agressievemilieus een duurzaam gedrag vertoont. De variatie inproductiemethoden en materiaaleigenschappen heeftals gevolg dat de producteigenschappen per producentverschillend zijn. Hierdoor is ook de engineering vangewapend-betonconstructies productgebonden. Deeigenschappen die hieronder worden beschreven (trek-sterkte, elasticiteitsmodulus, aanhechtingsgedrag, ver-ankeringslengte, vermoeiingsgedrag en sterkte bijbrand) zijn dus indicatief.TreksterkteBij de treksterkte moet onderscheid worden gemaakttussen korte- en langeduurtreksterkte. De korteduur-treksterkte wordt bepaald met trekproeven. De gemid-delde waarden vari?ren van ? 600 tot ? 1600 N/mm?.De langeduurtreksterkte wordt bepaald met versneldeverouderingsproeven. Onder invloed van tempera-tuur en spanning neemt de treksterkte van de glasve-zelstaven af. Dit is een voorspelbaar gedrag dat in de4 |Randstadrail, VoorburgC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWapening36 cement 2008 3kunststofindustrie goed gedefinieerd is. Omdat deveroudering een logaritmisch karakter heeft, is hetmogelijk om met testen bij een verhoogde tempera-tuur na een belasting van 5000 uur vast te stellen watde langeduurtreksterkte voor een periode van 50 of100 jaar is. Deze waarde geeft aan welke spanningconstant aanwezig mag zijn gedurende de referentie-periode met inachtneming van de in het Bouwbesluitvoorgeschreven betrouwbaarheidsindex. De waardekan vari?ren van 200 tot 500 N/mm?.ElasticiteitsmodulusDe elasticiteitsmodulus van glasvezelstaven varieert van? 35 000 N/mm? tot ? 60 000 N/mm?. Deze waarde isaanzienlijk lager dan die van wapeningsstaal. Dit isvooral belangrijk bij het berekenen van de vervormin-gen en van de scheurwijdte van betonconstructies. Integenstelling tot wapeningsstaal is de elasticiteitsmodu-lus van glasvezelstaven lineair tot aan breuk en kenthet materiaal geen vloeitraject. Door de grotere trek-sterkte en de kleinere E-modulus is de rek bij breukaanzienlijk, ? 1,5 tot ? 2,5%. Hierdoor zal de scheur-wijdte bij bezwijken normaliter groter dan 2,5 mm zijnen zal een excessieve doorbuiging optreden. Dit gedragwaarborgt de gewenste ductiliteit, zodat eventueelbezwijken tijdig wordt aangekondigd.AanhechtingsgedragVoor het goed functioneren van wapening is het aan-hechtingsgedrag van wapening cruciaal. De scheur-wijdte wordt hierdoor sterk be?nvloed. De veranke-ringslengte van de staven wordt vergeleken met deaanhechtspanning van wapeningsstaal FeB 500, meteen voorgeschreven profilering. De gevondenwaarden voor de aanhechtingsfactor vari?ren van0,6 tot 1,0 (beproeving volgens methode van Janovic).Indien de aanhechting gelijk is aan geribd staal geldt=1.VerankeringslengteDe benodigde verankeringslengte van glasvezelstavenwordt vergeleken met de benodigde verankerings-lengte van wapeningsstaal FeB 500, met een voorge-schreven profilering. De gevonden waarden voor dekan(verhoudingsfactor) vari?ren van 1,0 tot 1,60(beproeving volgens CUR-rapport 23). Indien de aan-hechting gelijk is aan geribd staal geldt kan = 1.VermoeiingsgedragBij overwegend statisch belaste constructies (gelijkaan het toepassingsgebied van NEN 6720) ontstaangeen problemen door vermoeiing van glasvezelwape-ning. Uit proeven blijkt dat de prestaties die wordengevraagd van wapeningsstaal, ook geleverd kunnenworden door glasvezelwapening. Bij dynamischbelaste constructies moet de nodige voorzichtigheidin acht worden genomen en is meer specifiek onder-zoek gewenst.Sterkte bij brandSterkte van een betonconstructie bij brand wordt bijtoepassing van glasvezelstaven bepaald door tweeaspecten: de sterkte van de staaf en de aanhechting vande staaf aan het beton. De sterkte van de staaf wordtbepaald door de sterkte van de glasvezels. De aanhech-ting wordt bepaald door de eigenschappen van deepoxyhars. Uit proeven blijkt dat bij een verhoogdedekking en een vergrote verankeringslengte een brand-werendheid van 90 minuten realiseerbaar is. De con-trole kan plaatsvinden volgens NEN 6071, waarbij voorde eigenschappen van de wapening aangepaste para-meters gebuikt moeten worden (productafhankelijk).T o e p a s s i n gRechte glasvezelstaven worden gemaakt door middelvan pulltrusie, waarbij een bundel met glasvezels dooreen impregnatiebad van epoxyhars met een rondvor-mige sjabloon wordt getrokken. Hierna wordt de profi-lering of opruwing van de staaf aangebracht. Het plas-tisch buigen van glasvezelstaven na vervaardiging isniet mogelijk. Het maken van gebogen staven kanalleen fabrieksmatig. De vormen worden in een speci-ale mal gemaakt. Hierbij is de dichtheid van de vezelslager en ontstaat dus een minder sterke staaf. Eensterke kromming heeft ook negatieve invloed op devergelijking spanningsrekdiagrammen wapeningsstaalen glasvezelwapening0200400600800100012000 5 10 15 20spanning[N/mm?]FeB 500ComBAR?glasvezelwapening020040060080010001200rek in 6 |E-moduluslineair elastischlangeduurtreksterkte van ComBARglasvezelwapening in alkalisch beton milieu?500600700800900100011001200400500600700800900100011001200400300 300222223310 100 1000 10000 100000 1000000constantebeproevingsspanning[N/mm?]50 jr100 jrdoorgaande lijn: gemiddelde waardeonderbroken lijn: karakteristieke waarde (5% onderschrijding)rekenwaarde = karakteristieke waarde / 1,560?C 40?C23?C5 |LangeduurtreksterkteglasvezelwapeningC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWapeningcement 2008 3 37sterkte. De productie van gebogen staven is een inten-sief proces. Indien dwarskrachtwapening noodzakelijkis, is een alternatief voor beugels of opgebogen wape-ning voorhanden door gebruik te maken van staven meteen eindverankering in de vorm van een deuvelkop(dwarskrachtdeuvels). Hiermee kan men de dwars-krachtwapening in de knopen van de constructie veran-keren. De productiewijze van deze dwarskrachtdeuvelsis veel economischer dan die van gebogen staven.VerwerkingHet verwerken van glasvezelstaven tot een wapenings-net of -korf is mogelijk met binddraad, kunststof tie-rips of met speciale kunststof clips. Afkorten vanstaven kan eenvoudig door zagen. Voor het stellen vande wapening zijn kunststof afstandhouders beschik-baar. Voordeel van de verwerking van glasvezelstaven ishet geringe eigengewicht (? 2200 kg/m?)N o r m e n e n c e r t i f i c e r i n gInternationaal is er een aantal landen waar de toe-passing van glasvezelstaven is gereguleerd: InCanada (CSA 2002) en Japan (JSCE 1997b) zijn ernormen, in de USA is er een richtlijn (ACI440). Toe-passing van deze normen in Nederland is lastig,omdat er geen aansluiting is op de overige Neder-landse normen. In Nederland is op dit momentalleen toepassing op basis van gelijkwaardigheidmogelijk. Omdat dit vrij omslachtig werkt, wordt ergewerkt aan een beoordelingsrichtlijn (BRL).Hiermee wordt het voor producenten mogelijk omeen KOMO?-attest-met-productcertifaat voor hunproduct te verkrijgen. In dit document zullen dan deeigenschappen van het product vastliggen (inclusiefkwaliteitscontrole).D i m e n s i o n e r e n m e t g l a s v e z e l w a p e n i n gHet dimensioneren van een betonconstructie gewa-pend met glasvezelwapening gaat grotendeels volgensdezelfde procedures als bij normaal wapeningsstaal .Er zijn echter twee belangrijke verschillen:1. Glasvezelwapening kent geen vloeitraject: er is eenlineair verloop tussen spanning en vervorming tot aanbreuk. De normale rekenmethodieken voor betonstaalgaan uit van de rekenwaarde van de staalspanning envan het standaard stuikdiagram van beton. Door hetontbreken van het vloeitraject bij glasvezelwapening ligtde vervorming voor de hele doorsnede vast bij het berei-ken van de rekenwaarde van de treksterkte van de wape-ning. Pas bij hogere wapeningsfracties treedt stuik vanhet beton op.2. Glasvezelwapening heeft een beduidend lagereE-modulus dan staalwapening. Hierdoor zijn de scheur-wijdten in een constructie met gelijke hoeveelheidwapening aanzienlijk groter. Omdat glasvezelwapeningniet corrodeert is dit voor de duurzaamheid geen pro-bleem. Praktisch gezien is een beperking van de maxi-male scheurwijdte tot 0,5 mm meestal gewenst. Bij debepaling van de benodigde wapening is de scheurwijdteveelal bepalend. Ook bij toepassing van glasvezelstavenals dwarskracht, torsie of ophangwapening is een beper-king van de spanning in verband met scheurwijdtebe-perking wenselijk.Buiging en/of normaalkrachtDe spanningen in de betondoorsnede worden bepaaldconform NEN 6720: 8.1. Bij de bepaling van de momen-tencapaciteit uzal bij kleine normaalkrachten en/ofwapeningsfracties geen volledig stuikdiagram ontstaan.De rek van de wapening bij de rekenwaarde van de trek-sterkte (fgl/Egl) bepaalt de spanningsdoorsnede. Bij min-der lage wapeningsfracties ontstaat een diagram met ge-deeltelijke stuik, totdat het volledige stuikdiagram wordtbereikt. In doorsneden zonder normaalkracht ontstaatdeze volledige stuik bij de wapeningsfractie.gl;bu = Egl f'b2 'bu 'bpl - 'bpl2_________________fgl2'bu + Egl fgl 'bu2(1)Bij hogere wapeningsfracties kan bij de bepaling vande Muniet meer de volledige rekenwaarde van de trek-spanning worden aangehouden, omdat dan de rek vande staaf onvoldoende is.De bepaling van de hoogte van de betondrukzone metbijhorende momentencapaciteit Mu kan bij wapening-fracties tot gl;bu(Agl/bd) worden bepaald met de for-mules:xu = d2 gl fgl2+ Egl f'b 'bpl________________2 fgl f'b + Egl f'b 'bpl(2) enMu = gl b d fgl (d - 7/18 xu) (3)7 |Ge?soleerde koppelingvan sandwichwanden8 |Doorboren betonwandAmsterdam CSC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWapening38 cement 2008 3Bij een wapeningsfractie hoger dan gl;bukan de bepa-ling van de hoogte van de betondrukzone met bijho-rende momentencapaciteit Muworden vastgesteldmet de formules:xu = d__________________Egl2gl2+ 857 f'b Egl gl - Egl gl_________________________428,5 f'b(4)Mu = 3/4 xu b f'b (d-7/18 xu) (5)Bij hogere wapeningsfracties neemt de effectiviteit toeindien een hogere betonsterkteklasse wordt toegepast.De minimum toe te passen wapening moet hetscheurmoment en/of de scheurkracht op kunnennemen om brosse breuk te voorkomen, en kanworden bepaald volgens NEN 6720: 9.9.2.1.Bij het bereiken van het volledige stuikdiagram bij gl;buwordt de sterkte van de betondrukzone maatgevend,waarmee de kans op bros bezwijken ontstaat. Dit isvolgens NEN 6720: 8.1.3 niet gewenst. Het toepassenvan drukwapening heeft nauwelijks effect omdat deE-modulus van glasvezelwapening en van beton tedicht bij elkaar liggen. Om toch het gewenste veilig-heidsniveau te halen moet de momentencapaciteit bijeen wapeningshoeveelheid boven 70% van gl;buwordengereduceerd tot 80% van de berekende capaciteit(analoog aan NEN 6720: 9.9.2.1). De waarde hoeft uiter-aard niet kleiner te zijn dan de capaciteit bij een wape-ningshoeveelheid van 70% van gl;bu.ScheurvormingUitgangspunt van de toetsing van de scheurvorming isNEN 6720: 8.7. De materiaaleigenschappen wordenverdisconteerd met de factoren , k1(= 0,0625?wmax?Egl)(6), k2(= 0,0125?wmax?Egl) (7), k3(= 1,00?wmax?Egl) (8).Hierin is wmaxde maximaal toegestane scheurwijdte.Dwarskracht, pons en wringingNEN 6720: 8.2. t.m. 8.5 worden gebruikt voor de toet-sing van de dwarskracht-, pons- en wringingscapaci-teit. Ook hier moet het rekgedrag van de glasvezelsta-ven worden verdisconteerd. Bij de waarde voor 1gebeurt dit door het aan te houden wapeningspercen-tage te vermenigvuldigen met de factor Egl/ 200 000N/mm?. De door de wapening opneembare schuif-spanning is beperkt. Om op het betonaandeel tekunnen rekenen moet de rek in de glasvezelwape-ning worden beperkt. Tot nader onderzoek is uitge-voerd wordt de maximale rek in dwarskrachtwape-ning beperkt tot 435/200 000 = 0,00217 (aansluitendop bestaande onderzoeken met staalwapening). Demaximale spanning in de dwarskrachtwapeningwordt hiermee 0,00217 Egl. Let op: bij beugels is vaakde E-modulus lager dan bij rechte staven.VervormingenDe stijfheid van een betonconstructie kan wordenbepaald met NEN 6720: 8.6.2. De bepaling van demomenten Meen Metmet bijhorende krommingen een etmoet geschieden met het spanning-rekdiagramvan glasvezelstaven. Gebruik van artikel NEN 6720:8.6.3. is niet mogelijk, omdat de bijhorende tabellenspecifiek voor wapeningsstaal zijn vastgesteld.VerankeringslengteDe verankeringslengte van glasvezelwapening wordtbepaald volgens artikel 9.6.2. De aanhechtingseigen-schappen van een glasvezelstaaf worden in rekeninggebracht door factor kandie de verhouding in aan-hechting geeft ten opzichte van een geribde wape-ningsstaaf. Hiernaast geldt voor elk type glasvezel-staaf ook een maximaal in rekening te brengenwaarde voor f'b: f'b;an;maxomdat bij hogere waarden deprofilering van de staaf afschuift. In formule:1 = kan?0,40 (1 - 0,1?c/?gl) kan?0,24V o o r b e e l d b e r e k e n i n gTer verduidelijking een eenvoudige voorbeeldbereke-ning van een ligger op twee steunpunten.De gebruikte afkortingen zijn conform NEN 6720.`b< `b;pl'b= 'bu`b< `budd'b;pld`b;plfgl/Eglfgl/Eglgl/Egldiagram Mumet beperkte stuikdiagram Mumet zonder stuikdiagram Mumet volledige stuikXuXuXu9 |Mu spanningdiagrammenbij verschillendewapeningsfractiesC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWapeningcement 2008 3 39600450390gl;bu = 60000?21?2?0,0035?0,00175 - 0,001752_____________________________4452?0,0035 + 60000?445?0,00352= 0,0114 < 0,0168xu = 390_____________600002?0,01682+ 857?21?60000?0,0168 - 60000?0,0168_______________________________________________428,5?21= 146 mm en (5)10| Doorsnede vanvoorbeeldberekeningx = 3902?0,0126?4452+60000?25,2?0,0021______________________________2?445?25,2+60000?25,2?0,0021= 124 mmAfmetingen van de constructielrep= 4500 mm; h = 450 mm; d = 390 mm; b = 600mm; wmax= 0,4mm.Eigenschappen betonC28/35; f'b= 21 N/mm?; f'brep= 25,2 N/mm?;fb= 1,4 N/mm?; fbm= 2,74 N/mm?Eigenschappen glasvezelwapeningfgl= 445 N/mm?; Egl= 60 000 N/mm?; gl= 1,0; kan= 1,0BelastingenPermanent inclusief eigen gewicht: 52 kN/mVeranderlijk: 20 kN/mBuiging, toetsing scheurvormingOmdat bij glasvezelwapening de scheurvormingnormaal maatgevend is, wordt hieraan het eerstgerekend.Mrep = 0,125 (1,0?52 + 1,0?20)?4,52 = 182 kNmGemiddeld scheurmoment volgens NEN 6720: 8.7.1:1/6 b h? fbm= 56 kNmDus volledig ontwikkeld scheurenpatroon: toetsingvolgens artikel NEN 6720: 8.7.2.Eerste schatting van buigtrekwapening:Agl= 6 ?25 = 2945 mm?, gl= 0,0126Uitgaande van diagram zonder volledige stuikvolgens NEN 6720, fig 75: 'bpl= 0,0021, 'bu= 0,0035.Met (2):Met (3):Toetsing volgens NEN 6720: 8.7.2a: (6):k1 = 0,0625?0,4?60000 = 1500 N/mm?gl 1500?1,0_________181= 8,3 mmToetsing volgens NEN 6720: 8.7.2b (7):k2 = 0,0125?0,4?60000 = 300 N/mmsgl 100 (300?1,0 / 181 - 1,3) = 35,8 mmsgl = b/6 = 100 mmdus voldoen beide niet.Na iteratie:Agl= 8?25 = 3927 mm?gl= 0,0168x = 150 mmgl= 140 N/mm??gl 10,7 mm (voldoet niet) ?fsgl 84,3 mm, dus voldoetHiermee wordt voldaan aan de eis van wmax= 0,4 mm.Buiging, controle sterkteMd = 0,125?(1,2?52+1,5?20)?4,52= 234 kNmVolgens (1) met 'bpl= 0,00175, 'bu= 0,0035Dus volledige stuik.Volgens (4)Mu = 0,8?3/4?146?600?21?(390-7/18?146) = 368 kNm(inclusief extra veiligheid t.o.v. bezwijken betondruk-zone) > 234 kNm, dus voldoet.Dwarskracht, controle sterkte:Voor het opnemen van de dwarskracht worden dwars-krachtdeuvels ?16 toegepast, Egl,dd= 60.000N/mm?.Praktisch worden ook beugels ?12 toegepast. Omdatde E-modulus van beugels veel lager is, zijn deze nietmeegerekend voor de dwarskrachtcapaciteit.Vd = 0,5?(1,2?52+1,5?20)?4,5 = 208 kNd = 208?103/(600?390) = 0,89 N/mm21 = 0,4?1,4 = 0,56 N/mm2(minimum waarde van 1)gl = 0,89-0,56 = 0,33 N/mm2 = 90?, = 45?:Asv;gl = (0,33?600?1000)/(0,9?0,00217?60000) =1690 mm?/m2.Keuze 2 dwarskrachtdeuvels ?16 h.o.h. 200 mm =2011 mm?/m. ngl =182?106_____________________________0,0125?600?390?(390 - 7/18?140)= 181 N/mm26 24