50 thema Verhardings- beheersing in EEM Bij de verharding van beton ontstaat warmte. Deze warmte veroorzaakt vervormingen in de constructie die bij verhinde - ring spanningen kunnen veroorzaken. Die spanningen kunnen zo hoog worden dat het beton scheurt, met nadelige gevolgen voor duurzaamheid, waterdichtheid en soms zelfs sterkte van dien. Daarom is verhardingsbeheersing van groot belang. En dit omhelst veel meer dan alleen het meten van temperatuur. Het inzetten van EEM kan een hoop problemen voorkomen. Wat zijn anno 2014 de mogelijkheden? 1 Juist gebruik van eindige-elementenpakketten kan scheurvorming voorkomen thema Verhardings beheersing in EEM 3 2014 51 Het optreden van spanning en vervormingen door uithardend beton hangt onder meer af van de geometrie van de construc- tie, het toegepaste betonmengsel, het soort bekisting, de bekis- tingsduur en de omgevingsomstandigheden als lucht- en specietemperatuur, windsnelheid en zoninstraling. Een verhoogd risico op scheurvorming in beton in de jonge fase als gevolg van spanningen treedt op bij: ? massieve betonconstructies (foto 2); ? aansluiting van dikke op dunne constructiedelen; ? keldervloeren op onderwaterbeton; ? jong op oud beton (foto 1). De materiaalkundige eigenschappen van beton hebben dus ook invloed op de spanningen en vervormingen. Deze eigen- schappen veranderen in de tijd, beïnvloeden elkaar en zijn temperatuurafhankelijk. Om deze complexe samenhang van factoren te kunnen analyseren, kan een eindig-elementenpak- ket uitkomst bieden. Een dergelijk pakket leent zich uitstekend voor het voorspellen van scheurvorming in een constructie. Risico's op scheurvorming in jong beton kunnen in kaart worden gebracht en maatregelen kunnen worden doorgere - kend om deze risico's te minimaliseren. Deze maatregelen kunnen bestaan uit het aanpassen van het betonmengsel, het isoleren van de constructie en het koelen van het beton. Simu- laties met een EEM-pakket kunnen ook worden gebruikt bij het naderhand verklaren van scheuren en lekkages. Autogene krimp Mengselsamenstellingen van beton zijn de laatste jaren veel veranderd. Het standaardbeton bestaat al lang niet meer. Dit komt onder meer door andere grondstoffen en hulpstoffen, waarmee ook betoneigenschappen veranderen. Uit schadeonderzoek blijkt dat steeds vaker autogene krimp en de strain capacity (verhouding stijfheid/sterkte, E /f t) belangrijke parameters zijn. Waarbij voorheen bij een wbf 0,45 of kleiner problemen met autogene krimp optraden, worden die problemen nu zelfs bij mengsels met een wbf van 0,50 of hoger waargenomen. In het laboratorium wordt aan de moderne betonmengsels een autogene krimp van 200 microrek [µm/m] na 28 dagen gemeten. Ter vergelijking: in de Eurocode is voor mengsels met een wbf van 0,50 een rekenwaarde van 30 microrek [µm/m] opgegeven. Hierbij kan door alleen autogene krimp al 50% van de beschikbare treksterkte zijn opgebruikt. Spanningen door temperatuur zijn dan nog niet eens meegerekend. De spanningen kunnen zo hoog worden dat koeling geen oplossing meer is, omdat temperatuur niet de oorzaak is. Niet-bijzondere mengsels blijken daardoor ineens bijzonder. Het is dus steeds belang- rijker de juiste materiaaleigenschappen te kennen. Met die eigenschappen en een EEM-pakket kunnen problemen op voorhand worden voorspeld. EEM betaalt zich dus steeds vaker uit voor de waargenomen problemen. ir. Bianca Baetens SGS Intron 1 Ook bij massieve betonconstructies bestaat de kans op scheurvorming in de jonge fase 2 Het caisson van de Izmit Bay Brug; bij het gebruik van jong op oud beton is er een verhoogd risico op scheurvorming in beton in de jonge fase bron: STFA 2 verhardings beheersing in eeM 3 2014 52 0 0,00005 0,0001 0,00015 0,0002 0,00025 0,0003 0,00035 0 28 56 84 112 autogene krimp [m/m] tijd [dagen] project 1 project 2 Eurocode 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 0 10 20 30 40 50 60 40 50 60 70 80 90 veiligheidsfactor [-] kans op scheuren [%] trekspanning [%] van de zuivere treksterkte kans op scheuren [%] veiligheidsfactor [-] 3 In Nederland wordt over het algemeen een scheurcriterium (verhouding trekspanning/treksterkte) van 50% aangehouden; De grafiek is gebaseerd op tabel 7.7 uit 'Concrete Structures under Imposed Thermal and Shrinkage Deformations Theory and Practice' van K. van Breugel 4 Verschil tussen de rekenwaarde uit de Eurocode en de in het laboratorium gemeten waarde van twee schadeprojecten Scheurrisico Niet alleen het fenomeen autogene krimp is steeds belangrijker geworden, ook het scheurrisico is gewijzigd. In Nederland wordt over het algemeen een scheurcriterium (verhouding trekspanning/treksterkte) van 50% aangehouden (fig. 3). Bij grotere projecten is een verhoging naar 70% accep- tabel, omdat er meer projectspecifieke gegevens zijn gemeten en minder hoeft te worden aangenomen. Ook geldt hierbij de jarenlange ervaring met de analyses waaruit steeds weer blijkt dat de voorspelbaarheid en betrouwbaarheid goed is. In Nederland wordt bij standaardprojecten vaak voorge- schreven dat een adiabatische warmteontwikkeling en een druksterkteontwikkeling moeten worden bepaald. Met de standaardmengsels is dit eigenlijk niet voldoende, omdat steeds vaker blijkt dat een druksterkteontwikkeling en adia- batische warmteontwikkeling alleen niet de maatgevende parameters zijn. Daarbij komt ook nog dat de adiabatische warmteontwikkeling vaak niet eens wordt gemeten. Het komt steeds vaker voor dat schades ontstaan die niet worden verwacht. Als goede berekeningen waren uitgevoerd met de gemeten materiaaleigenschappen, hadden deze schades kunnen worden voorkomen. Anders gezegd: als er meer materiaaleigenschappen zijn bepaald, kan het scheurcrite- rium omhoog. Hierdoor zijn er minder maatregelen als isola- tie en koelbuizen nodig. Uit de schades blijkt dat de advisering in verhardingsbeheer - sing steeds meer een specialistisch, en daarom belangrijk, onderdeel wordt van de uitvoering van een goed bouwproject. Rekenen aan scheuren Om scheurvorming door verhinderde vervormingen te voor - komen, kunnen maatregelen zoals koelen en het aanpassen van het betonmengsel worden genomen. Ook kan ervoor worden gekozen scheurvorming toe te laten en de scheurwijdte vervol- gens te toetsen aan de toelaatbare scheurwijdte. Dit vergt echter een andere benadering en een nog aanzienlijk meer complexe berekening. Het scheurgedrag van gewapend beton kan in rekening worden gebracht in een EEM-berekening met zowel uitgesmeerde als discrete scheurmodellen. Voor een voorspellende berekening van de scheurwijdte is het nodig gebruik te maken van discrete scheurmodellen. De complexiteit van dergelijke modellen schuilt in de uitdaging het niet-lineaire rekenmodel te laten convergeren. Daarnaast vooral ook in het belang van betrouw- bare kennis van het na-scheurgedrag (tractie-separatiewetten) als een functie van de ouderdom van beton. Gezien de aard van de belastingen ligt het hierbij voor de hand de aandacht in eerste instantie te beperken tot de eigenschappen van een scheur onder zuivere trek en nog niet op dwarskracht of mixed mode belastingen. Vooronderzoek Bij grote projecten in het buitenland zoals de Limerick Tunnel, de Marmaray Crossing in Istanbul, Izmit Bay Bridge en de Fehmarnbelt wordt steeds meer aandacht besteed aan de invloed van de betoneigenschappen, bijvoorbeeld in een voor - onderzoek. Daarmee ontstaat een andere kijk op scheurvor - ming in de jonge fase. In een dergelijk vooronderzoek worden, na de keuze van het definitieve mengsel, alle materiaalparameters (van zowel de losse grondstoffen als het mengsel) vanuit de contracteisen gemeten. Voordat aan de bouw van de definitieve constructie mag worden begonnen, wordt na het uitvoeren van EEM- analyses een proefconstructie (mock-up) gebouwd. Hier worden de relevante onderdelen van de constructie in werke - lijke afmetingen en met de berekende verhardingsbeheersmaat- regelen uitgevoerd. Alle metingen worden daarna vergeleken met de analyses. Afwijkingen moeten worden verklaard en indien nodig worden maatregelen aangepast. Pas daarna mag aan de werkelijke constructie worden begonnen. 3 4 thema Verhardings beheersing in EEM 3 2014 53 5 Aanzicht tunnel temperatuur na 24 uur 6 Doorsnede tunnel temperatuur na 24 uur 7 Aanzicht uiteinde tunnel spanningen Vocht- en chloridetransport Naast temperatuur- en spanningsanalyses is het ook mogelijk te rekenen aan vocht- en chloridetransport. Hiervoor zijn diverse modellen beschikbaar waarmee kan worden gerekend. Deze modellen staan echter nog ver van de praktijk. Voorbeelden uit de praktijk zijn de diepwanden in de Noord/Zuidlijn en rekenen aan opkrulling van overlagingen. Dit soort projecten komt slechts een paar keer per jaar voor. In de academische wereld zijn diverse promovendi die onderzoek doen naar vochttransport in beton door middel van EEM. Modellen Een van de softwarepakketten waarmee temperatuurinvloe- den kunnen worden geanalyseerd, is FEMMASSE. Voor dit softwarepakket zijn in de afgelopen tien jaar nieuwe model- len ontwikkeld. Eén van die nieuwe modellen is geschikt voor rekenen aan chloridetransport. Daarnaast zijn meerdere interfacemodellen toegevoegd. Zo kan bijvoorbeeld worden gerekend met Mohr-Coulomb zonder cohesie (interface met alleen normaalkracht op druk) of multi-lineair met strain hardening (ontwikkeld voor het Samaris project). Ook de koppelingen tussen schade en visco-elasticiteit en tussen schade en dampdiffusie zijn toegevoegd. En er kan worden gerekend met het uitgesmeerde scheurmodel met strain hardening. Tot slot is ook het self-desiccation-model toege- voegd. Verder zijn er meerdere 3D-modellen op de markt gekomen waarmee de verhardingsbeheersing van betonconstructies voor een niet-standaard geometrie kan worden berekend. De modellen kunnen eenvoudig vanuit een Autocad-tekening worden ingevoerd. Een mooi voorbeeld van een dergelijk pakket is COMSOL. Deze 3D-software is vooral geschikt voor constructies met een complexe geometrie of hoeken, daar waar een 2D-simulatie niet meer voldoende nauwkeurig is om spanningen uit de 3e richting te berekenen. Andere pakketen die in het buitenland in de praktijk worden gebruikt, zijn bijvoorbeeld het Scandinavische B4CAST en 4C Temp and Stress. Toekomst De huidige modellen zullen zich verder ontwikkelen. 3D-analy- ses zullen steeds meer worden gebruikt. Echter voor de meeste analyses zullen de huidige 2D-pakketen ruimschoots blijven voldoen. De fundamentele mechanische modellen zullen immers niet veel veranderen. Door de jarenlange ervaring kunnen met de juiste input veel problemen worden voorko- men. ? Vezels Naast de complexiteit van deze modellen is er het voordeel dat ook de invloed op scheurvorming van nieuwe betonsamenstellin- gen of alternatieve vormen van wapening vooraf inzichtelijk kunnen worden gemaakt. Hierbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan staalvezelbeton. De residuele spanning van staalvezel- beton na scheurvorming leidt, zoals bekend, tot meer fijnver - deelde scheurvorming en dus tot kleinere scheurwijdten. De vraag is echter wat de bijdrage is van vezels, indien een betondoorsnede al in een vroege fase wordt belast als gevolg van verhinderde vervorming. Dan zijn de materiaaleigenschappen van beton nog niet volledig ontwikkeld. Aan de TU/e wordt, mede met dit doel, onderzoek verricht naar het gedrag van staalvezels in beton. Naast experimenteel onderzoek, wordt hierbij ook een EEM-model opgesteld om het gedrag van vezels in (jong) beton te modelleren en daarmee beter te begrijpen. Verwacht wordt dat de resultaten van dit onderzoek in de toekomst kunnen bijdragen aan de voor - spelling van de scheurwijdte van staalvezelbeton. Voor constructies waarbij niet temperatuur maar autogene krimp en/of verhinderde vervorming de maatgevende spannin- gen veroorzaakt, zijn gevalideerde rekenmodellen voor vezels en wapening een welkome uitbreiding. 5 6 7 verhardings beheersing in eeM 3 2014