? ? ? voorspanningir.S.lVlatthys, Universiteit Gent, Laboratorium Magnel voor BetononderzoekDe ontwikkelingvan lichte vezels met hoge sterkte en stijfheid in dejaren veertig was hetbegin van een sterke opkomst van de composietmaterialen. Aanvankelijk slechts toege-past in hoogwaardige toepassingen waar het ~igen gewicht van essentieel belang is(lucht- en rUimtevaart), nam ook de interesse toe in andere sectoren van de industrie. Mo-menteel kunnen de composietmaterialen worden beschouwd als een hoogwaardige ma-terialengroep meteen breed toepassingsgebied. Ook in debetonbouwgroeide deinteres-se voor composietmaterialen.Het artikel is een beknopte weergave van het afstudeerwerk van de auteur [1], dat werdbekroond met de Studieprijs 1994 (Betonvereniging en het ENCI-Jubileumfonds) en dePrijs van de Belgische Fabrikanten van 'Holle Vloerplaten' 1994 (FeBe).COMPOSIETSTAVENALSVOORSPAN-ELEMENTENSTUDIE EN EXPERIMENTEEL ONDERZOEKCEMENT1995/6Hoogwaardige composietmaterialen z?n allemogelijke systemen die een combinatie zijnvan twee of meer materialen die met elkaarsamenwerken en het geheel aldus de ge-wenste eigenschappen geven [2].Fibre reinforced plastics of fibre reinforcedpolymers (FRP) zijn hoogwaardige compo-sietmaterialen, opgebouwd uit sterke, dun-ne, continue vezels van niet-metallischeaard, ingebed in een matrix (harsbinder, vul-stoffen en additieven).Een FRP-element wordt bijgevolg gekarakte-riseerd door de vezels en de matrix, door despecifieke materiaaleigenschappen en doorde geometrie waarin het door de fabrikantop de markt wordt gebracht.Intrede van composietmaterialen in debetonbouwIn het laatste decennium is het gebruik vanFRP als wapeningvoor gewapend en voorge-spannen beton, zowel prefab als ter plaatsegestort, b? het ontwerpen van nieuwe con-structies en bij het herstellen en/of verster-ken van bestaande constructies, uitgegroeidtot ??n van de meest veelbelovende nieuwetechnieken in de betonbouw.Deze interesse groeide in principevanuitver-schillende standpunten. In Japan hecht menvooral aan effici?ntie en prefabricage. InNoord-Amerika daarentegen kampt menmet duurzaamheidsproblemen. Terw?I in Eu-ropa detoepassing van FRP ontstond ten ge-volge van beide voorgaande redenen, gekop-peld aan een grote belangstelling voor hetversterken en/of herstellen van bestaandeconstructies, vooral van het cultureel erf-goed.Voor- en nadelen van FRPFRP-elementen hebben een aantal voorde-len, waardoor ze een gelijkwaardig alterna-tief z?n voor stalen wapening en in sommigeopzichten zelfs beter zijn. Deze voordelenzijn:? lage volumieke massa (1/7 ? 1/5 ten op-zichte van staal);? hoge sterkte in verhouding tot de volumie-ke massa (10 ? 15 keer groter dan staal);? uitstekende corrosieweerstand;? ongevoelig voor magnetisme en elektrischniet geleidend;? mogelijkheden tot niet-destructief onder-zoek.De nadelen zijn:? kostprijs (daalt naarmate de afname toe-neemt);? lage elasticiteitsmodulus voor de meesteFRP-elementen;? lage sterkte in dwarsrichting ten opzichtevan de axiale sterkte (verankeringsproble-matiek);? weinig gegevens over de sterkte op langeterm?n van betonconstructies gewapenden/of voorgespannen met FRP; ~25?bI?2500,-----,----,-----,-----,2000-1----+--+--+--_+----11500+-------;--'F=--+---7'f----I1000+--1+-+------,'7f-----+---I500-l-H------c~---+--_+--__IO~---+----+--_+--__Io~f(%)? voorspanningQ) Spanning-rek-diagram van enkele @ Arapree !21 5,3 mm type 'S', 'E' en 'SE'FRP-materialen en voorspanstaal, T = 20?Ca. CFRp' !21 5 mm, A = 19,6 mm2, vf = 65%b. AFRPArapree, 2,6/20 mm2? A = 52 mm2, schikter als voorspanelemenen. CFRP heeftvf = 44% wel een hogere elasticiteitsmodulus, dochc. GFRP Polystal, !21 7,5 mm, A = 44,2 mm2, de breukrek is beperkt.vf = 68%d. FeP 1670, !21 5 mm, fptk = 1670 N/mm2 FRP-elementen zijn heterogeen (opge-kort worden beschreven maken deel uit vanhet zogenaamde BRITE-project (Basic Re-search in Industrial Technologies for Euro-pel, onder de titel 'Fibre Composite Ele-ments and Techniques as Non-Metallic Rein-bouwd uit verschillende materialen) en an- forcement of Concrete'.? specifieke duurzaamheidsproblemenvoor bepaalde FRP-elementen.Recente ontwikkelingen, waarbij in het bij-zonder rekening wordt gehouden met de ei-sen van FRP als wapeningvoor beton, spelendan ook in op het elimineren van deze nade-len.Enkele typische aspecten vanFRP-wapeningDe momenteel meest toegepaste FRP-ele-menten worden gefabriceerd op basis vanaramidevezels (AFRP), koolstofvezels(CFRP) en glasvezels (GFRP). Epoxy, onver-zadigd polyester en vinylester zijn de daarbijmeest toegepaste harsbinders.In figuur 1 zijn de spanning-rek-diagrammenweergegeven van deze materialen in vergelij-king met voorspanstaal, waaruit het lineair-elastisch gedrag van FRP blijkt. Met FRP ge-wapend en voorgespannen beton kent duseen abrupt en bros breukkarakter. Of dital ofniet als een uitgesproken nadeel moet wor-den beschouwd, is nog onderwerp van dis-cussie. Met dit aspect dient echter in elk ge-val rekening te worden gehouden.AFRP en GFRP blijken een relatief lage elasti-citeitsmodulus te hebben, hetgeen resul-teert in grote vervormingen. Over het alge-meen blijken deze materialen dan ook ge-26isotroop (de eigenschappen verschillennaargelang de richting). Als wapeningsele-menten komen zij bet meest voor in lineairevorm, hetgeen tot orthotropie leidt. De fysi-sche en mechanische eigenschappen ver-schillen dus alleen in axiale richting endwarsrichting. Zo is het bijvoorbeeld type-rend voor FRP-elementen dat de axialeIn een eerste onderzoeksprogramma werdde overdrachtslengte bepaald van AFRP-sta-ven als voorspanwapening in betonnen pris-ma's. Hierbij werd ook de kritieke betondek-king bepaald waarbij het splijten van het be-ton, ten gevolge van de spanningen in de ver-ankeringszone, werd verhinderd.Bij het tweede onderzoeksproject werd hetsterkte veel hoger is dan de sterkte in dwars- constructiefgedrag nagegaan van geprefa-richting, hetgeen uiteraard consequenties briceerde betonplaten voorgespannen metheeft voor de verankering. AFRP-staven.E?n van de belangrijkste aspecten van FRPis de duurzaamheid in vergelijking met decorrosie van staal. FRP-materialen hebbeneen uitzonderlijkgoede weerstand in een zu-re en agressieve omgeving. Voor AFRP enGFRP kan de alkalische omgeving van versbeton en het pori?nwater in verhard betoneen specifiek duurzaamheidsprobleem vor-men. CFRP is onder alle omstandighedeninert.Voor al deze en andere aspecten vanFRP-wapening zie [3 t.m. 7].Experimenteel onderzoekIn het Laboratorium Magnel voor Betonon-derzoek wordt sinds enkelejaren onderzoekverricht naar betonelementen gewapend,voorgespannen of nagespannen met FRP.De twee onderzoeksprogramma's die hiernaHet toegepaste AFRP was Arapree (ARAmidPREstressing Elements). Dit materiaal be-staat uit Twaron-vezels met epoxy als hars-binder. Voor de ontwikkeling en de toepas-sing ervan wordtverwezen naarde literatuur-lijst.Overdrachtslengte en splijtwerking in de ver-ankeringszone [1, 8JEr werden proeven verricht op voorgespan-nen betonprisma's met een lengte van 1000mm en een vierkante doorsnede, waarvande zijde varieerde van 45 mm tot 70 mmo Deproefprocedure was in overeenstemmingmet RILEM RC-6 en NBN 110-201.Er werden Arapree-staven mettwee verschil-lende diameters toegepast: 07,5 mm en!215,3 mmo Foto 2 toont de drie soorten Ara-pree die onderzocht werden: type 'S' (be-zand), type 'E' (expancelcoating) en typeCEMENT1995!6- 800- 700- 600- 500- 400? Betonvervormingen van prisma's metArapree 'S', 'E' en 'SE'a. Po/Arapree 'S'b. 7 dagen/Arapree 'S'c: Po/Arapree 'E'd. 7 dagen/Arapree 'E'e. Po/Arapree 'SE'f. 7 dagen/Arapree 'SE''7' _ 300 d1'~ ~=o ~ ~ S ~ s 300~afstand tot uiteinde prisma (mm)'SE' (bezand expancel). Voor 07,5 mm werdalleen het type 'S' toegepast. Met het bezan-den van de staven beoogt men een betereaanhechting met het beton. De expancel-coating daarentegen, vormt een dunne sa-mendrukbare oppervlaktelaag welke eendeel van de radiale expansie veroorzaaktdoor het Hoyer-effect of de thermische ex-pansie, kan opvangen.De eigenschappen van het Arapree zoals zedoor de fabrikant werden opgegeven zijn:korte-duur breuksterkte 3000 N/mm2, elas-ticiteitsmodulus 91000 N/mm2 en breukrek3%. Beide eerstvermelde waarden zijn geba-seerd op de effectieve vezeloppervlakte Af= VI ? A, waarin vf de volumeverhouding vanvezels en composiet is (Af = 22,2 mm2voorArapree 07,5 mm en Af = 11,1 mm2voorAra-pree 05,3 mm).Er werden twee verschillende betonsamen-stellingen toegepast: normale sterkte beton(NSC) met een gemiddelde cilinderdruk-sterkte na 28 dagen f~il = 60 N/mm2en ho-ge sterkte beton (HSC) met f~il = 97N/mm2. Verder werd ook de invloed nage-gaan van losse niet-metallische vezels dieaan het beton waren toegevoegd.De Arapree-staven werden ??n voor ??nvoorgespannen door middel van een hydrau-lische vijzel. De initi?le voorspankracht be-droegrespectievelijk Po = 33 kN voor de sta-ven07,5mmen Po = 16,5 kN voorde staven05,3 mmo Dit komt overeen met een span-ning 0,5 fplk' als fplk de gegarandeerde karak-teristieke treksterkte van het Arapree is. Nabetonneren en ontkisten (bij een ouderdomvan ??n dag) werden de prisma's bij een ou-CEMENT1995/6derdom van drie dagen geleidelijk voorge- terug naar20?C, onder een temperatuurtoe-spannen. Op de spanningsniveaus 0,50 Po, name,0,70 Po, 0,85 Po en Po werden de betonver- respectievelijk afname van 15?C/uur envormingen in de veranderingszone opgeme- waarbij de maximale temperatuur twee keerten - via mechanische rekmeters en rek- gedurende 3 uur en twee keer gedurendestrookjes - en werd er ook gelet op de vor- 6 uur werd aangehouden. Op geen enkelemingvan mogelijkesplijtscheuren. Demetin- van de aldus beproefde prisma's warengen en observaties werden herhaald na 2 scheuren zichtbaar. Uit de naderhand opge-uur, 24 uur en 7 dagen. meten betonvervormingen kon geen rele-Figuur 3 geeft een vergelijking van de opge- vante wijziging van de overdrachtslengtemeten betonvervormingen van prisma's in worden vastgesteld.normale sterkte beton met zijden van 45mm, voorgespannen met Arapree 05,3 mm Constructief gedrag van geprefabriceerdetype 'S', type 'E' en type 'SE'. betonplaten voorgespannen met AFRP [ijHet proefonderzoek leidde tot de volgende Bij dit onderzoek werd het gedrag nagegaanresultaten. van geprefabriceerde betonplaten, voorge-Voor de staven 07,5 mm 'S' werd een kritieke spannen met Arapree. De platen haddenbetondekking (splijten van het beton) vast- een dwarsdoorsnede van 105x280mm2engesteld van 2,83 0. Hettoevoegen van losse . een lengte van 3,20 m (3,00 m tussen devezels aan het beton verhinderde het splij- steunpunten). Aan de hand van korte-en lan-ten. De prisma's in hoge sterkte beton had-den een kritieke betondekking van 2,63 0.De overdrachtslengte, bepaald uit de opge-meten betonvervormingen, bedroeg 17 0.Voor Arapree 05,3 mm, type 'S' en type 'E',werd een kritieke betondekking van respec-tievelijk 2,80 0 en 2,33 0 gevonden. Dewaar-den voor de overdrachtslengte bedragen16 0, 39 0 en 210 voor respectievelijk type'S', 'E' en 'SE'.AI deze waarden volgen uit proeven onder la-boratoriumomstandigheden. Voor het hieronderzochte Arapree type 'S' kan, met enigevoorzichtigheid, voorgesteld worden de over-drachtslengte gelijk te nemen aan 20 0.Verder werd ook effect van de temperatuurop de overdrachtslengte en op het splijtge-drag onderzocht. Vier temperatuurcycli wer-den opgelegd van 20?C naar 50 ?C en weerge-duur belastingsproeven en onder stati-sche of wisselende belasting via vierpuntsbuigproeven (fig. 4), werden hetscheur-, hetvervormings- en het bezwijkgedrag bestu-deerd.Bij de lange-duur proeven werden de platen,in een geklimatiseerde ruimte bij 20?C en60% relatieve vochtigheid, onder een con-stante belastingvan 10 kN (per puntlast) ge-plaatst.Voor de dynamische belastingsproevenwerd sinuso?daal belast met een frequentievan 4 Hz. Metingen werden verricht na ??nmiljoen en na twee miljoen belastingscycli,vari?rend tussen 8 kN en 9 kN (perpuntlast).Vervolgens werd nogmaals ??n miljoen keerbelast, nu vari?rend tussen 9 kN en 10 kNoNa deze procedure werd statisch beproefdtot breuk. In totaal werden tien platen be-proefd (tabel 1). ~27? ?0,753,00 m3,20 m1,2,3 en 4o 0 035 70 70280mm7 en 8arapree 200000 S 7,5 mm-bezand{arapree 5,3 mm (plaat 7)CFRP 5,0 mm l plaat 8)? voorspanning0,755 en 69 en 10@ Proefopstelling en dwarsdoorsneden Plaat 1 met vier Arapree-staven 07,5 mm 'S'van de platen was de referentieplaat. Deze werd statischbeproefd op korte-duur. Analoge platen wer-den gefabriceerd om het effect na te gaanvan een lange-duur belasting ofvan een wis-selende belasting, en om de invloed na tegaan van hoge sterkte beton of bijgelegdepassieve wapening. Ter vergelijking werdentwee platen gefabriceerd met vier geribdestalen voorspandraden 06,0 mm, FeP 1670,en vervolgens beproefd. Deze platen heb-Daarom werden ook twee platen met vijfstaaldraden voorgespannen.Het aangewende Arapree beantwoorddeaan de hiervoor vermelde eigenschappen.Naast Arapree werd als passieve wapeningook een koolstofvezelcomposiet 0 5,0 mm'S' gebruikt, met een korte-duur breukspan-ning van 2290 N/mm2en een elasticiteits-modulus van 143 000 N/mm2(gerelateerdaan de nominale doorsnede).De betonsterkten na 28 dagen zijn eveneensin tabel 1 weergegeven.Figuur 4 geeft de proefopstelling en dedwarsdoorsneden van de verschillende pla-ten. De platen werden twee aan twee gebe-tonneerd en voorgespannen op een span-bank in het laboratorium. De voorspansta-ven werden ??n voor ??n aangespannendoor middel van een hydraulische vijzel. Deiniti?levoorspankracht Po bedroeg33 kNo Ditkomt overeen met een composietspanningvan 0,50 fplk en een staalspanning van 0,70fplk' Na het betonneren werd ontkist bij eenouderdom van ??n dag en voorgespannenbij een ouderdom van drie dagen. Hiernawerden de platen op hun steunpunten ge-plaatst.Bij een ouderdom van 28 dagen volgde de ei-genlijke beproeving. Nauwlettend werd hetverloop van de betonvervormingen en dedoorbuigingen gevolgd. Ook het scheurge-drag werd nagegaan. De metingen werdenverricht aan de hand van mechanische rek-meters (betonvervormingen), meetbeugels(elektronisch en continu meten van de be-Tabel 1Kenmerken van de beproefde platenben een scheurlast vergelijkbaar met de re- tonvervormingen), meetklokken (doorbui-ferentieplaat, doch een lagere bezwijklast. gingen), inductieve opnemers (elektronischcilinder buig-voorsPEjri-druksterkte treksterkte "voorspan- passieve typeplaat beton,;(28 dagen) (28 dagen)wapening kracht wapening belastingsproef(N/mm2) (N/mm2) (kN)1 NSC 69,19 ...,.1) "4x AFRP 7,5 mm 4x33 - statisch korte-duur;2 NSC 69,19 _1)4 x ?FRP 7,5 mm 4x33 - statisch lange-duur3 NSC 65,59, ; 6,68 4 x AFRP 7,5 mm 4x33 - dynamisch korte-duu.r 2)4- MSC 98,56 8,45 4 x AFRP.7,5 mm 4x33 - dynamisch korte-duur 2)"5 NSC 68,6;3 , 5,7 4xFeP 6,Omm 4x33 - statisch lange-quur,"6 NSC 68,63 5,7 4-xFep 6,Omm 4x33 - statisch korte-duur7 NSC 68,54 6,63 4x AfRP 7.5 mm 4x33 5 x AFRP 5,3 mm statisch korte-duur'8 N$C '68,54 6;63 4xAFRP 7,5mn:), 4,x33 5 xCFRP 5,0 mm statisch korte-duur9 NSC I 69,92 6,55 5,x Fep 6,Omm 5x33 -','statisch lange-duur,10 NBC 6!i),g2 6;55 5 xfeP 6,Omm 5x33 - statisch korte-duur1) werd niet bepa