O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVoor spanningcement 2008 5 81Aantasting voorspanningnader bekekenir. G.G.A. Dieteren, TNO Bouw en OndergrondD u u r z a a m h e i d s a s p e c t e nDe levensduur van voorspanstaalkan negatief worden be?nvloeddoor de volgende factoren:? corrosie van het voorspanstaalv??r het inbouwen en/of injec-teren;? slechte bescherming van hetvoorspanstaal door onvolledigeinjectie;? indringen van chloriden of car-bonatatie in het beton;? lekkage bij voegen, vooral tussenprefab moten van plakbruggen.Corrosie voorspanstaal(Put)corrosie van het voorspan-staal voor het injecteren leidt bin-nen bepaalde grenzen niet altijdtot een lagere levensduur van deconstructie. Voorwaarde is danwel dat het voorspanstaal na injec-teren goed wordt beschermd doorgrout (hoge alkaliteit passiveerthet staal). Onder andere in NEN6722 [2] en CUR-rapport 143 [3]zijn hiervoor regels en achtergron-den gegeven.Een bijzondere vorm is kathodi-sche spanningscorrosie van hetvoorspanstaal. Daarbij kan water-stofverbrossing in het voorspan-staal leiden tot plotselinge breuk.Bij waterstofverbrossing is voorafniets waarneembaar (geenroestuitbloei door corrosie ofscheurvorming van beton). In hetvoorspanstaal treedt plotselingbreuk op, wat kan leiden tot brosbezwijken van de constructie [4].Deze vorm van spanningscorrosiekan met name worden verwacht bijbepaalde typen voorspanstaal uitDuitsland die al lange tijd nietmeer worden toegepast. In Neder-land is voornamelijk voorspanstaaltoegepast met een geringe gevoelig-heid voor waterstofverbrossing [1].Onvolledige injectieIndien de injectie van de voor-spankanalen niet goed wordt uit-gevoerd, ontstaan holle ruimten.In die ruimten is sprake van voor-spanning zonder aanhechting. Deruimten kunnen bovendien water,chloriden e.d. bevatten die op denduur kunnen leiden tot corrosievan het voorspanstaal. Het gevolgis een afname van de effectievestaaldoorsnede met in het extremegeval breuk van het staal.Chloriden/carbonatatieVooral bij voorgerekt voorgespan-nen beton kan carbonatatie eenprobleem zijn. Bij nagerekt voor-gespannen beton fungeert in hetalgemeen de aanwezige omhul-ling als extra barri?re. Met namein het verleden werd de veranke-ring van de voorspanning somsvoor een deel aangebracht aan debovenzijde van de constructie(foto 1). Indien de hiertoe beno-digde inkassingen niet goed wor-den dichtgezet, is de kans opindringen van chloriden hier erggroot. Hierdoor zal mogelijk deverankering worden aangetast. Enhet vocht met schadelijke stoffenkan via de holle ruimtes in destrengen ook verder in de con-structie doordringen en daar totschade leiden.Lekkage bij voegenBij toepassing van zogenoemdeplakbruggen worden in langsrich-ting prefab elementen met elkaarverbonden door een doorlopendevoorspanning en in de voegen aan-gebrachte lijmverbinding (foto 2).Deze voegen bevatten geen zachts-taalwapening, waardoor bij hetoverschrijden van de aanhecht-sterkte van de lijmverbinding descheur gemakkelijk kan door-groeien tot bij de voorspanning.Indien de omhullingen van devoorspanning tussen de motenook nog onderbroken zijn, is dekans op het ontstaan van corrosieerg groot. De in Engeland in de*) COST 534 `New Materials and Systems for Prestressed Concrete Structures' is een Europees samenwerkingsver-band waarin de afgelopen vijf jaar (2003-2007) onderzoek is uitgevoerd naar materialen, systemen en methodenvoor het verbeteren van de duurzaamheid en het onderhoud van voorgespannen betonconstructies.1 |Voor inspectie vrijge-maakte inkassing in dekvoor voorspanankerIn de afgelopen twintig jaar is steeds meer het besef ontstaan dat ook voorbetonconstructies onderhoud nodig is. Bij voorgespannen betonconstructiesis vooral de toestand van de voorspanelementen belangrijk. Om mogelijkeproblemen met voorgespannen betonconstructies in kaart te brengen, is inNederland begin jaren negentig een STUVO-commissie [1] gevormd. In ditartikel wordt kort ingegaan op de mogelijke schademechanismen die kunnenleiden tot afname van de aanwezige voorspanning. Verder worden de in hetkader van COST 534*) uitgevoerde onderzoeken besproken die de construc-tieve veiligheid van constructies met aangetaste voorspanning beoordelen.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVoor spanning82 cement 2008 5jaren `80 ontstane problemen had-den vaak betrekking op dit soortschades.C O S T 5 3 4Schade aan de voorspanning ineen constructie leidt niet altijddirect tot een onveilige situatie.Om de gevolgen van de aangetastevoorspanning na te gaan zijn erechter wel modellen nodig. Bin-nen COST 534 WG 5 is hiernaaronderzoek gedaan. Dit onderzoekis op te delen in twee hoofdlijnen:materiaalkundig en constructief.In het materiaalkundige deel isvooral gekeken naar de effectenvan spanningscorrosie en deinvloed van corrosie op de aan-hechting tussen staal en beton. Inhet constructieve onderzoek isgekeken naar de gevolgen vanaanhechtingsverlies voor UGT- enBGT-situaties en de wijze vanmodelleren hiervan, al dan nietgecombineerd met een afnamevan de staaldoorsnede.S p a n n i n g s c o r r o s i eDoor de hoge trekspanning kan inhet voorspanstaal microscheur-groei optreden, wat kan leiden totbezwijken van het staal bij eenlagere trekspanning dan de nor-male grenswaarde [5]. In Toulouseis onderzoek uitgevoerd naar deinvloed van het aangebrachtespanningsniveau op het verloopvan de corrosie [6]. Het onderzoekis uitgevoerd voor drie spannings-niveaus op draden van 8 mm (fp =1500 MPa). De aangebrachte voor-spanning bedroeg:groep A: 80% van fp wat overeen-komt met het normale aanvangs-spanningsniveau in de meesteEuropese landen;groep B: 100% van fp wat overeen-komt met het spanningsniveau naoptreden van scheurvorming inhet beton;groep C: 70% van fp wat overeen-komt met het spanningsniveau naoptreden van verliezen door krimpen kruip.Daarnaast is een groep staaldra-den ongespannen blootgesteld aandezelfde omgevingscondities omhet effect van het hoge spannings-niveau op het corrosieproces inkaart te brengen.Het onderzoek is uitgevoerd metde DIBt-test [7] waarbij het voor-spanstaal onder spanning wordtomgeven door een neutrale oplos-sing, die ervoor zorgt dat hetoptredende (put)corrosieprocesvergelijkbaar is met hetgeen in depraktijk is waargenomen [4]. Opverschillende tijdstippen zijn dedraden onderzocht en is de lokaalopgetreden staalcorrosie gemeten.De onderzoeksresultaten latenzien dat na negen maanden expo-sitietijd het verlies aan massa vanhet voorgespannen staal 10-15%hoger is dan voor de ongespannendraden. Dit verschil is relatiefklein, zeker vergeleken met denormale spreiding bij dit soortcorrosieproeven. Omdat zowelgespannen als ongespannen dra-den massaverlies vertonen, wordtaangetoond dat spanningscorrosiegekoppeld is aan conventioneleputcorrosie op het staaloppervlak.Tijdens de proeven is tot 20%massaverlies door putcorrosiegeconstateerd v??r breuk. Wan-neer naar de standtijd van deproefstukken in de test wordtgekeken, kan worden geconclu-deerd dat van de op 80 of 100%van fp voorgespannen draden hetmerendeel de gewenste standtijdvan 2000 uur heeft gehaald. Voorde 100% fp voorspanning bedroegde gemiddelde levensduur 164dagen en voor de 80% fp was dit265 dagen met een uitschieternaar 23 dagen. Deze laatste iswaarschijnlijk veroorzaakt dooreen lokaal defect dat al voorafaan de proef aanwezig was. Aan-2 |Bouw uitbouwbrug metplakmoten3 |Proefopzet voor voor-gespannen draden [8]staaldraadagressieve oplossingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVoor spanningcement 2008 5 83vullend onderzoek met gemaakteinkepingen heeft aangetoond datkleine beschadigingen de levens-duur aanzienlijk reduceren. Deop 70% voorgespannen draadwas ten tijde van de COST 534rapportage nog steeds in deopstelling aanwezig (350 dagen).De in de praktijk toegepastevoorspanstaalsoorten voldoendus normaal aan de eisen, maarbij geringe voorbeschadiging vaneen draad kan de levensduuraanzienlijk afnemen (zie ook [3]en [5]).E f f e c t g e r e d u c e e r d ea a n h e c h t s t e r k t eVerlies van aanhechting tussenvoorspanstaal en beton heeft grotegevolgen voor het constructievegedrag van voorgerekt voorge-spannen beton. Dit omdat er geenmechanische ankers aanwezig zijnen alle krachtsoverdracht dus viaaanhechting moet plaatshebben.Bij nagerekt voorgespannen con-structies met aanhechting wordtde aanhechting tussen staal eninjectiemortel beschouwd. De aan-hechting be?nvloedt het construc-tieve gedrag van het beton op tweemanieren:ScheurwijdtebeheersingBij het optreden van scheurengedraagt de constructie zich opdezelfde manier als bij gewapendbeton. D.w.z. ter plaatse van descheur wordt alle trekspanningopgenomen door het staal en linksen rechts van de scheur wordtdoor de aanhechting langzaamook het beton weer actief. Als deaanhechting minder wordt, neemthet aantal scheuren af, maar dewijdte toe.OverdrachtslengteBij voorgerekt voorgespannenbeton zonder ankers bouwt despanning in het voorspanstaalzich op van nul nabij de uiteindennaar volledige voorspanning ietsverderop (overdrachtslengte). Alsde aanhechting wordt gereduceerdneemt de overdrachtslengte toe,waardoor de draagkracht van deconstructie nabij de uiteindenafneemt. Als er door welke oor-zaak dan ook ergens in het voor-spanstaal breuk optreedt, neemtlokaal de voorspanning af. Dooraanhechting is na de overdrachts-lengte de voorspanning weer vol-ledig aanwezig.Uit onderzoeken, die in het kadervan COST 534 zijn verzameld,blijkt onder meer dat voor boven-staven de aanhechting lager isdan voor benedenstaven. Dit isook terug te vinden in art. 9.7.3van NEN 6720 en art. 8.4.2 vanEN 1992-1-1. Ook neemt bij cor-rosie nagenoeg altijd de aanhech-ting af. Onderzocht is hoe de aan-hechting van een zeven-draad-streng wordt be?nvloed door303012.3mm voorspandraad20mm wapeningsstaaf(a)(b) (c)30020030075300280 7060 230 104 |Proefopstelling voor de aan-hechtproef [8]5 |Aanhechting versusmassareductie wapenings-staal [8]gewichtsverlies (%)30MPa 45MPaaanhechting1,201,000,800,600,400,200,000 1 2 3ppp pa 00sncs ssncLtLelemLelemLelemLelemLelemLelemLelemLtscheurscheurLelem/2 Lelem/2xLtxs s(x)sncscheurscheurLelem/2 Lelem/2xLtxhyh-y(Lelem/2)h-y0ch-y0nch-y0(x)6 |Macro eindige-elemen-tenaanpak voorgescheurd gewapendbeton [6]O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVoor spanning84 cement 2008 5corrosie [8]. Hiervoor is gebruik-gemaakt van de in figuur 4 gege-ven proefopstelling. Proefstukkenwerden in B30 en B45 uitgevoerd.Opvallend is dat de corrosie eengroter effect op de aanhechtingheeft bij de hogere sterkteklasse.Men zou verwachten dat de weer-stand tegen de door corrosie ver-oorzaakte expansie groter is enzodoende een lagere reductie opde aanhechting laat zien (fig. 5).Bij corrosiepercentages van ? 2%bleek de aanhechting al tot 40%gereduceerd.M a c r o E E - m o d e l l i n gDe Macro EE-modelling (MEE-)techniek is ontwikkeld doorLMDC in Toulouse. Het model isgeschikt voor doorbuigingsbepa-ling in de BGT (al dan nietgescheurd) en de capaciteitsbepa-ling in de UGT. De berekeningvan de doorbuiging na scheurenis gebaseerd op een niet-lineaireMEE, waarbij per element eenhomogeen traagheidsmomentwordt aangehouden. In hetmodel zijn corrosie-effectengemodelleerd van voorspanstaalen van zachtstaal.Niet-gecorrodeerde gescheurde liggerHet globale gedrag van een liggerwordt onder meer bepaald doorscheurvorming (fig. 6). Voor hetMEE-model wordt in rekeninggebracht dat het beton tussentwee scheuren in langzaam weeronder trekspanning komt te staandoor de aanhechtspanning tussenstaal en beton. Dit maakt dat tus-sen de scheuren in de ligger stij-ver is dan wordt verondersteld alsdeze over de gehele lengte alsgescheurd wordt aangenomen, hetzogenoemde `stiffening effect'.Hiertoe is een relatie nodig tussende aangehouden stijfheid van deligger en de aangebrachte belas-ting.Ter verduidelijk wordt dit modelkort uitgelegd voor een elementmet niet-gecorrodeerde wapening.De knooppunten van de elemen-ten worden in het MEE-modelbepaald door de plaatsen van deopleggingen, de opgebrachtebelasting (puntlasten) en de loca-tie van de scheuren. In het onge-scheurde gebied wordt de traag-heid I0 aangehouden. In hetgescheurde gebied is de lengtevan het element gelijk aan descheurafstand = Lelem. De staal-spanning is in de scheur maxi-maal en bedraagt daar s. Naar hetmidden van het gebied tussentwee scheuren in neemt de staal-spanning af tot het minimum sncwat gelijk is aan de staalspanningnet voor scheuren. Het punt waardit gebeurt, is de overdrachts-lengte Lt.Het verloop van de hoogte van deneutrale as is eveneens lineair ver-ondersteld tussen de waarde voorde gescheurde doorsnede Y0C ende waarde net voor scheuren Y0nc.Voor de bepaling van de gemid-delde traagheid van een elementwordt aangenomen dat de rekver-deling gelijk is over de lengte vanhet niet voorgespannen element.Voor een nadere uitwerking hier-van wordt verwezen naar [6].De verhouding tussen de halvescheurafstand Lelem/2 en de over-drachtslengte Lt heeft een belang-rijke invloed in de berekening vande gemiddelde traagheid Ia. Vol-gens de CEB-FIP modelcode 90 [9]kan deze verhouding wordengeschat op 0,75 en is deze in elkgeval nooit groter dan 1, omdatzich dan een nieuwe scheur zalvormen tussen twee reedsbestaande scheuren.Om ook het effect van corrosie inde berekening mee te nemen iseen aanvullend model ontwikkeld,waarin met twee effecten rekeningwordt gehouden:? vergroting van de overdrachts-lengte, als functie van de matevan corrosie;? verkleining van de effectievestaaldoorsnede door corrosie.Voor de aangepaste verankerings-lengte Ltcor is aangenomen:Ltcor = Lt / (1 - Dc). Hierin is Dceen schadeparameter voor deaanhechting, waarbij Dc = 0 geldtvoor geen corrosie en Dc = 1 voortotale onthechting (fig. 7). In [6]wordt de formule voor Dc verderafgeleid. Deze waarde is een afge-leide van de doorsnedeafnamedoor corrosie. Tevens is het effectvan het optreden van scheurenen afname van de opsluiting vande wapening in het omliggendebeton meegenomen. Het effectvan de corrosie op de afgeleidevoor scheurensncLtcorLtLelemx(x)scheursDc= 0 : Ltcor= LtDc= 1 : Ltcor=spanningsverdelingin wapeningsstaaf(x)sx7 |Effect van toegenomenaanhechtlengte met inachtneming van de matevan corrosie [6]0.00E+000 1.00E-004 2.00E-004 3.00E-004 4.00E-0040.00E+0001.00E-0052.00E-0053.00E-0054.00E-0055.00E-0056.00E-0057.00E-0058.00E-0059.00E-0051.00E-004macro-elementLelem = 200 mm - Lt = 105 mmtraagheid in ge-scheurde doorsnedetraagheid in ge-scheurde doorsnedeverlies wapeningsdoorsnede (m4)traagheidsmoment(m4)8 |Variatie van de gemiddel-de buigstijfheid in hetMEE-model ten opzichtevan de staaldoorsnedeafname door corrosievergeleken met de traag-heid in de gescheurdedoorsnede [8]O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVoor spanningcement 2008 5 85gemiddelde buigstijfheid wordtweergegeven in figuur 8.Voorgespannen prefab liggerBovenstaande modellen in aange-paste vorm zijn toegepast op eenvoorgespannen prefab ligger metstrengen. Hierbij is onderscheidgemaakt in drie condities van hetstaal, namelijk:? Ongecorrodeerd: Staal wordtgemodelleerd als ook bij onge-corrodeerd zachtstaal.? Licht gecorrodeerd: In deze faseheeft de corrosie grote invloedop de aanhechtlengte, maar ishet staal nog niet gebroken. Ditgeldt voor corrosie tot ongeveer2% verlies van de staaldoor-snede.? Zware corrosie: In dit gevalwordt verondersteld dat enkeledraden van strengen gebrokenzijn en andere zijn gecorro-deerd. De breuk van enkelestrengen is gemodelleerd en deaanhechting van het staal aanbeton is sterk gereduceerd,omdat breuk van strengenwordt verondersteld met ern-stige corrosie samen te gaan.Voor de in figuur 9 weergegevenvoorgespannen prefab ligger (typeTY6) zijn berekeningen uitge-voerd waarbij verschillende grada-ties van beschadiging van hetvoorspanstaal zijn aangebrachtzoals weergegeven in tabel 1.In figuur 10 is het resultaat gege-ven van de uitgevoerde bereke-ningen met het MEE-model enberekeningen met een niet-line-air eindige-elementenmodel(EEM) door Coronelli [10]. Beidemodellen geven vergelijkbareresultaten voor het draagvermo-9 |Doorsnede prefab ligger[8]10 | Effect van corrosie opdraagvermogen endoorbuiging: boveCoronelli, onder Castele.a. [8]Tabel 1| Overzicht bekeken schade cases [8]case aantal gebroken strengen opmerking0 onbeschadigde ligger1a 5,5 strengen helft van de strengen in de onderste laag1a + 1b 11 strengen alle strengen in de onderste laag1a + 1b + ? (2) 24 strengen de onderste en de tweede laag0501001502002503000 20 40 60 80 100 120 140 160 180vervorming(mm)belasting(KN/m)initial behaviourlow corrosionTY failure : (1a)TY failure (1a+1b)TY failure (1a+1b) + 0,5(2)0501001502002503000 20 40 60 80 100 120 140 160 180vervorming (mm)belasting(KN/m)uncorroded low corrosion1a 1a+1b1a+1b+0.5(2)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVoor spanning86 cement 2008 5gen. Bij de vervormingen is tus-sen de toegepaste modellen eenverschil te zien, waarbij blijkt datde modellering in het EEM eenstijver gedrag laat zien. Dit laat-ste komt waarschijnlijk door defijnere modellering waardoor destijfheidsreductie lager is.Ten slotte is ter illustratie nogeen laboratoriumonderzoek aaneen nagerekt voorgespannen lig-ger weergegeven zoals dit doorLMDC is uitgevoerd. Voor eenuitgebreide omschrijving van hetonderzoek wordt verwezen naar[11] en [12]. Hetzelfde probleemis ook door Carvell [13] onder-zocht. De liggers waren voorzienvan normale zachtstaalwapeningen 1 voorspandraad (6 mm) enwerden in een vierpunts-buig-proef beproefd. Doel van hetonderzoek was het vaststellen vanhet effect van een breuk in devoorspandraad op verschillendelocaties per ligger. Er zijn driesimulaties uitgevoerd waarbij lig-ger A een draadbreuk nabij deoplegging vertoonde (verankeringfaalt), ligger B een draadbreuk opde halve afstand tussen last enoplegging (optredend moment =? ? Mmax) en ligger C een draad-breuk in het maximale moment-gebied tussen de twee puntlasten.In figuur 11 zijn de proefresulta-ten weergegeven. Zoals ook teverwachten was heeft het bezwij-ken van de draad nabij de eind-verankering (ligger A) weinigeffect op het gedrag en de draag-kracht van de ligger. Liggers B enC tonen aan dat het effect vaneen draadbreuk op de optredendevervormingen en het uiterstedraagvermogen met name afhan-kelijk is van de locatie van debreuk ten opzichte van de optre-dende momenten (grote momen-ten betekenen groot effect op deuiterste draagkracht). Het effectvan een draadbreuk zal in eennormale constructie minder grootzijn. In het onderzoek was ??ndraad aanwezig waardoor breukervan overeenkomt met wegval-len van de gehele voorspanningin die doorsnede. In de praktijkzal meestal slechts een deel vande voorspanning in een snedewegvallen, waardoor de eventuelereductie van de draagkracht veelkleiner is.C o n c l u s i e sCorrosie van voorspanning is vaninvloed op de stijfheid en desterkte van de constructie. Demate waarin is afhankelijk van delocatie van de schade ten opzichtevan de optredende belasting.Het effect van corrosie op deaanhechting tussen(voorspan)staal en beton en deeffectieve aanwezige staaldoor-snede is in rekenmodellen meete nemen. Het effect ervan op debenodigde draagkracht en de toe-gestane vervormingen iszodoende te bepalen. Breuk vanvoorspanstaal in een constructiebetekent niet direct het niet vol-doen aan de eisen voor de con-structieve veiligheid en de bruik-baarheid. nV e r a n t w o o r d i n gDit artikel is gebaseerd op hetCOST 534 Final Report, Part VNew Service Life Approaches. Deauteurs van het hoofdstuk overmodelleren van constructies metcorrosieaantasting zijn:Carmen Andrade, IETcc/CSIC,Madrid;David Cleland (werkgroepleider),Lulu Basheer, QUB Belfast (werk-groepleider);Dario Coronelli, Polytechnico diMilano;Arnaud Castel, Ahn Vu, RaoulFran?ois, INSA Toulouse.L i t e r a t u u r1. Duurzaamheid van betonnenbruggen, voorgespannen metnagerekt voorspanstaal.STUVO-rapport 103, januari1997.2. NEN 6722, VoorschriftenBeton ? Uitvoering. NENDelft, december 2002.3. CUR-rapport 143, Putcorrosievan voorspanstaal. CURGouda, mei 1989.4. N?rnberger, U., Analyse undAuswertung von Schadensf?l-len an Spanst?hlen. For-schung Strassenbau undStrassenverkehrstechnik, Heft308, 1980.5. Krom, A. & R.B. Polder, Rest-levensduur VoorgespannenBetonbuizen van een Waterlei-ding. Symposium `Voorge-spannen betonconstructies ?duurzaam ontwerp enonderhoud', Delft, 13 maart2008.6. Fran?ois, R., A. Castel & T.Vidal, A finite macro-elementfor corroded reinforced con-crete. Materials and Structu-res, 2006.7. DIBt-test, Bestimmung f?r dieDurchf?hrung Korrosionsver-suchen an Spannst?hlen inThiocyanatl?sung. Institut f?rBautechnik, Fassung April1992.8. COST 534 Final Report, Part VNew Service Life Approaches.November 2007.9. CEB-FIP Model Code 1990,Design Code. Thomas Telfort/ CEB-FIB, 1993.10. Coronelli, D., & P.G. Gamba-rova, Structural assessment ofcorroding R/C beam: model-ling guidelines. ASCE Journalof Structural Engineering, 130(8).11. Vu, N., Modelling of corrodedprestressed concrete behavi-our. Thesis of INSA and Uni-versity of Toulouse, Frankrijk,2007.12. Vu, N., A. Castel & R. Fran-?ois, Behaviour of post-tensi-oned prestressed concretebeams after single wire tendonfailure. 1st International con-ference on Modern Design,Construction and Maintenanceof Structures, 10-11 December2007, Hanoi, Vietnam.13. Carvell, D. & P. Waldron, Aresidual strength model ofdeteriorating post-tensionedconcrete bridges. Computers& structures, Vol 79.