I ICONSTRUCTIEFONTWERP IFERROCEMENT IVERSTERKEN BETONBALKENMET SPUIT-FERROCEMENTir.K.B.Lub en ir.M.C.G.van Wanroij, TU-Eindhoven, faculteit der BouwkundeWijzigingen in het gebruik van gebouwen kan versterking van de draagconstructiesnoodzakelijk maken. Voor een afstudeerproject aan de TU Eindhoven is onderzoekgedaan naar het versterken van betonbalken met een opgespoten ferrocement-Iaag,waarvan de wapening bestaat uit een staalgaasnet. De berekende waarden voor hetbezwijkdraagvermogen van een serie proefhalken zijn getoetst aan proefresultaten.Aanleiding voor dit onderwerp was een .herbestemmingsproject voor dePhilipsbedrijfsschool in Eindhoven. Deze studie is bekroond met een eervollevermelding in het kader van .de Studieprijs 1988.ab~ diameter j1l1,S mmstaalgaasnetversterking met externevoorspanwapeningversterking met opgelijmdestalen strippenVan ferrocement zijn dat:- kleinescheurafstanden enscheurwijd~ten;- grote taaiheid waardoor een grote ro-tatiecapaciteit.Van spuitbeton:- uitstekende aanhechting, indien on-dergrond voldoende is voorbewerkt;- geen bekisting nodig.Voor de opname van de dwarskracht isspuitferrocementDDversterkte balkonversterkte balk1 Versterking met uitwendige aangebrachte elementen: opgelljmde stalenstrippen resp. voorspanning160constructie is dan samengesteld uit eenzand-cementmortel gewapend metdicht op elkaar liggende lagen van rela-tiefdun staalgaas [6]. Bij de nu ontwik-kelde versterkingsmethode wordt dezand-cementmortel door middel vande spuittechniekop de ondergrond aan~gebracht: spuit-ferrocernent. Hierbijworden de gunstige eigenschappen vanferrocernent en van spuitbeton, opti-maal benut.Versterking m.et spuit-ferroce-m.entOorspronkelijk is ferrocement veel ge-bruikt voor dunwandige membraarn-constructies,zoals scheepsrompen, silo's 1----------------------------------1en dakelementen. Een ferrocement- 2 Principe van versterking bestaande betonbalk met spuit-ferrocementEen principieel andere methode vanversterkinghestaatuithetopspuitenvaneen nieuwe betondekking met daarin 1----------------------------------1opgenomen een staalgaasnet, de spuit-ferrocement-methode genoemd (fig. 2).Een essentieel verschil met de tweeeerstgenoemde methoden is dat de wa-pening nu geheel in de mortel is opge-nomen en dat de aanhechting via demortel plaatsvindt.Met versterken wordt in het al-? gemeen bedoeld: het vergro~ten van het draagvermogenvan bestaande constructies [1]. Aanlei-dingen daartoe kunnen zijn:- veranderingen in het belastingstelsel,~ fouten in ontwerp of uitvoering.Bij versterkingen ligt het voor de handorn extra wapening aan de buitenzijdevan het constructie-element te brengen.Ditkano.a. doorhetoplijrnenvanstalenstrippen (fig. la). Prof.van Gemert (KU-Leuven) is de geestelijke vader van deze r------------------.-...,..-------------,techniek. In zijn berekeningen gaat hijuit van de elasticiteitsmethode vanwegede spanningstoestand waarin de balk (ofde vloer) verkeert op het moment vanhetoplijmenvan de stalen strippen. Ornoptimaal gebruik te kunnen maken vande extra wapening, moet de balk name-lijkvoor het aanbrengen ontlastworden[3].Een andere mogelijkheid voor verster-king is de balk extern voor te spannen.De voorspankanalen kunnen dan langsofonder de balk doorlopen (fig. 1b).50 Cernent 1989 nr. 2bNas = fas . AasNa,o= fa,o? Aa,oZsZo" ..:.:..:.".::: ... Aa 0.:. j j I??: : ? ? c~?..:.:~r.1:?"'-:~""""'''':''''':?.? ;'--1?.-0 --~- ;':':1-- ,I'-,:.. f.:>i.???.>a\ Aa,sversterking met een onderflens van spuitbeton3Mogelijkheden van ver$terkingmet $puitbeton: conventionelemethode met een onderflen$ van$puitbeton en omhulling met $puit-ferrocementb0_ balkenM_ balkenj' 200 "ExperimentHet versterken van betonbalken metspuit-ferrocement is onderzocht doormiddel van een serie vierpunts-btiig-proeven op versterkte en onversterktebalken (fig. 4, j?to 5). De studie richttezich daarbij op de mate van versterkingen het bezwijkgedrag van de versterktebalken. Daarnaast zijn twee typen bal-ken onderzocht, onderscheiden naar demanier van bezwijken, afschuiving enbuiging. De onversterkte referentiebal-kenhebben een traditionele wapening 2o 10 mm, FeB 500; betonsterkteB 22,5.ct.~ ?34oo - :,r 200 J 1100afschuiving maatgevend160buiging maatgevend= --'-70"-"0 t:::::=i 70_0_-_~__,~ :'overeen met 0,6 x een bepaalde grens-waarde 'tr Voor het bepalen van 4ie 'tgwordt gebruik gemaakt van de Duitserichtlijnen, wegens het ontbreken vanNederlandse voorschriften op dat ge-bied. De grensspanning 'tg hangt afvande betonsterkte. De laagste sterkte, het-zij die van het spuitbeton hetzij die vande oorspronkelijke betonconstructie, ismaatgevend. Na omrekening van dewaarden voor 0,6 *'tg voor Duitse sterk-teklassen naar Nederlandse blijkt datdeze te vergelijken zijn met 'tI in tabelElI van de VB 1974/1984.Worden er geen verbindingsmiddelentoegepast, dan komt de rekenwaardevan de schuifspanning in de grenslaagDe rekenwaarde van de schuifspanningin de grenslaag of het aanhechtingsop-pervlak is dan:'t ~ langsschuifkr. ~ Sr. (N/mm2)aanhechtingsop. AhAfschuiving in de hechtlaagOptredende schuifspanningen in dehechtlaag ontstaan ten gevolge van de \----------------------------------1krachtsoverdracht van de normaaltrek- 4 Gegeven$ van de proefbalken en proefop$tellingkracht van de extra wapening in de op- 1-------------------------------1gespoten laag, naar de oorspronkelijkebalk (fig. 3b). De langsschuifkracht in dehechtlaag is dan:Sr. is de langsschuifkracht in het aan-hechtingsoppervlakD is de dwarskracht in de beschouwdedoorsnedeNas is de trekkracht van extra wapening 1---------------------------------1in de spuitbetonlaag 5d kkr h dUitvoering van de vierpunt$-buigproefNaOis e tre ac tvan e wapening in '-- - ---1het oorspronkelijke betonZs is de hefboomsarmvande extrawape-ningZo is de hefboomsarm van de oorspron-kelijke wapeninghet staalgaas een uitermate geschiktewapening. Door de dwarsdraden en derelatief geringe draaddoorsnede, is ereen minimale verankeringslengte no-dig, zodat hetstaalgaas bijna over de ge-hele balkhoogte werkzaam is.Het staalgaas hoeft niet aan de oor-spronkelijke balk bevestigd te worden.De verhoging van het buigend momentwordt gerealiseerd door in de trekzoneaanvullende staafVvapening aan te bren-gen.Het principe van versterken met spuit-beton werd reeds toegepast in de vormvan het aanbrengen van een onderflensaan een betonbalk met daarin traditio-nele wapening (fig. 3a). In tegenstellinghiermee wordt bij het versterken metspuit-ferreocement het gehele balkop-pervlak bespoten en wordt er staalgaastoegepast.Cement 1989 nr. 2 51____--~~~~~ICONSTRUCTIEF ONTWERP IFERROCEMENTBerekening afschuifdraagvermo-r-~~-~---------~-lgen7 ~hlatie tussen au en de slankheid Voor de berekeningis uitgegaanvan eenformule opgesteld door Rafla [8]. Deze6 Enkele opnamen van hetaanbrengen van het spuitbeton ende gaaswapeningr3,8:::J I~ Ii~II1,6 --t- -[ I, I0,8 -+-t-'I I ~--------I I l1 2 3,5 5 6 7Om een goede hechting te verkrijgenzijn de balken eerst gegritstraald. Opdrie zijden van de balk is een laag spuit~betonaangebrachtvan 18 mm dikte, be-tonsterkteB 30, met daarin opgenomeneen staalgaasnet, maaswijdte 25,4 x 12,7mmo Van de serie balken die op buigingmoesten bezwijken is tevens extra staaf-wapening 2 0 8 mm, FeB 500, aange-bracht in de opgespoten laag aan de on-derzijde.Het spuiten van de proefstukken is uit-gevoerd door betonreparatiebedrijfTorkret bv, onderdeel van HEG, (foto's6a-c).empirische formule is als volgt:JO,5 0,3 -0,25"tI ~ au . . (0 . h (N/mm2)cm 0 .au is een factor, afhankelijk van deslankheid alh(ziefig. 7)(00 is de relatieve wapeningsdoorsnedehis de effectieve balkhoogte!cm is de gemiddelde kubusdruksterkteHet afschuifdraagvermogen is dan:Pruijsers heeft deze formule theoretischonderbouwd [9]. Hij heeft daarvoor eenmechanisme beschreven met als uit-gangspunt het tandmodel van Kani, ziefiguur 8. In dat mechanisme wordt de8 Tandl110del van Kani9 Spanningsverloop in de tensionsoftening zone volgens PruijssersI UcI Ihx~P??.- i i-~--------,.i'----+--.=----,...--'-~(Je Ec1-----IL I ---------- -7\-T------- fd;----- _Eet-llr--~-----,~*,j'i?"'~' fffiL ..-!'-'-_...IL ----"~~_onzichtbare scheurvorming werkelijk parabolischzichtbare scheur ' verloop 't' verloop 1:'52 Cement 1989 nr. 2n Wo alh F exp. Fber. Fexp/Fber. toenamebezwijkdraag-(%) (kN) (kN) vermogen (%)onversterktebalk 3 1,25 2,86 19,2 17,8 1,08Tabel!Resultaten van de op afschuiving belastebalken (D-balkeu)effectieve afschuifhoogte h, bepaald enwordt daarbij de invloed van de nor~maaltrekspanningen in de zogenaamdetension softening zone beschreven, ziefiguur 9. Via een regressie~analysevoorau en h, vindt hij een formule met de-zelfde parameters als de formule vanRafla:v ~ a . HO,2 'jO,5 . W O,3. bh (N/mm2)cU,m?u? .cm?O .waarinau ~ 1,17 ~O,8 ? ,,0,8 . a!h-0,2versterktebalk 3 0,98 2,82 32,6 30,0 1,09 70Deze formule geldt voor alh > 2,5 eneen belasting bestaande uit twee punt-lasten.Tabe12Resulaten van de op buiging belastebalken (M-balkeu)n Wo alh F exp. Fber. F exp/ Fber. toenameIn tegenstelling tot de formule van Rafla bezwijkdraag-is nu wel meegenomen een tijdsfactor ~ (%) (kN) (kN) vermogen (%)met de waarde: onversterkte~ ~ 1,0 voor t ~ 0 en balk 3 1,25 5,0 16,6 15,2 1,09~ ~ 0,6 voor t- oa.versterktebalk 3 0,98 4,93 18,3 17,1 1,07 10extra versterktebalk 3 1,44 4,67 30,9 28,4 1,09 86De factor" staat voor de vertaling vanhet werkelijke verloop van de afschuif-spanning naar een parabolisch verloop;volgens Pruijssers zou deze factor gelijkzijn aan 0,7.Met behulp van deze formule, voorzienvan enkele reductiefactoren, zijn de be~zwijkbelastingen van de proefhalkenberekend.ResultatenDe experimentele waarden van de be-zwijkbelasting wijken voor alle gevallenin positieve zin af van de berekendewaarden (tabel 1-2). Dit is voor een deelte verklaren doordat bij de berekenin-gen karakteristieke betonsterkten zijngehanteerd.De toename van de bezwijkbelastingvoor de D-balken (belast op afschui-ving) bedraagt gemiddeld 70%. De bij-drage van hetstaalgaasnet aan de dwars~krachtcapaciteit kan niet worden ge-kwantificeerd, omdat bezwijken plaats~vond op buiging in plaats van afschui-ving. De werking van het staalgaasnetwas dus beter dan berekend.Voor de M-balken (belast op buiging)geldt een verbetering van het draagver-mogen van 10% en voor de extra ver-sterkte M-balken 86%, ten opzichte vande onversterkte referentie-balk. Dit isongeveer evenredig met de toenamevande wapening in de trekzone. Bij de extraversterkte M-balk was een afschuif-spanning in de hechtlaag aanwezig van0,41 N/mm2? De aanhechting van deferrocementlaag over de balkhoogte ishierbij gesteld op 2/3 deel van die hoog-te. De rekenwaarde voor de afschuif-Cement 1989 nr. 2spanning in de grenslaag, zonder ver-bindingsmiddelen, is gelijk aan0,6 x 'tg ~ 0,6 x 1,40 ~ 0,84 N/mm2?ConclusieIn de tabellen 1en 2 is voor de verschil-lende balk-doorsneden te zien dat deproefresultaten maximaal 9% ahvijkenvan de berekende resultaten.De met spuit-ferrocement versterktebalken vertonen een belangrijk groterestijfheid~ Er is een uitstekende samen-werking tussen de opgespoten ferroce~ment-laag en de oorspronkelijke balk.De aanhechting is vooral te danken aanhet spuitbeton, met als voorwaardenvooraf gritstralen en een goede spuit-techniek. Gezien dit gegeven is hetjuistom de berekening van de versterkte bal-ken uitte voerenvolgens de gebruikelij-ke rekenmethode. Een rekenvoorbeeldis opgenomen in het afstudeerverslag[10].Hetis wel steeds nodig eenextra contro-le te doen naar de schuifspanning 1n dehechtlaag. Dit is afhankelijk van hoe-veelheid extra wapening die in de spuit-betonlaag aan de onderzijde wordt toe-gevoegd. Door de op te spuiten laag opeen zo groot mogelijk balkoppervlakaan te brengen, zal de schuifspanningbeperkt blijven.Het staalgaasnet functioneert uitste-kend als dwarskrachtwapening. Alhoe-wel dit niet kwantitatiefis aangetoond,blijkt dit toch duidelijk uit de proevenmet de versterkte D-balken die, in te-genstelling tot de onversterkte D-bal-ken, niet op afschuiving zijn bezweken.Literatuur1. Versterken en repareren van beton-constructies; Cement 1980, nr. 6.2. Gemert,D.van, Versterken enherstel-len van betonconstructies met gelijmdewapening; Cement 1979 nr. 103. Gemert, D.van,Bosch, M.van der, Di-mensionering van gelijmde wapeningbij op buiging belaste elementen; Tijd-schriftder Openbare Werken nr. 1982, nr. 14. Reparaties aan betonconstructies;CDR-rapport 915. Lub, KB., Ferrocement in vogel-vlucht; S&E-publicatie nr. 11 Ferroce-ment, Betonvereniging, 1980,blz. 8 en 96. Lub, KB., Het gedrag van een dun-wandige holle ligger, vervaardigd uitferrocement; TU Eindhoven, BKO-rapport 6-17. CUR-aanbeveling nr. 11, Spuitbeton8. Empirische Formeln zur Berechnungder Schubtragf?higkeitvon Stahlbeton-balken; Strasse Brucke Tunnel 1971, nr. 23,Heft 12, blz. 311-3209. Pruijssers, A.F., Shear resistance ofbe-ams based on the effective shear depth,TU Delft rapport 5-86-110. Wanroij, M.C.G. van, Onderzoeknaar het gedrag van met ferrocementversterkte betonbalken; afstudeerver-slag TU Eindhoven53