O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbouw76 cement 2008 5De vermoeiingslevensduur vanorthotrope stalen brugdekken kanaanzienlijk worden verlengd alsdeze worden overlaagd met eenlaag zwaar gewapend hogesterkte-beton. Daartoe wordt de stalendekplaat van de rijvloer eerstvoorzien van een ingestrooideepoxylaag. Na uitharden wordthierop het betonstaal aangebrachten het beton gestort [1, 2, 3].In een studie is eerder ingegaanop de problematiek die specifiekbij beweegbare bruggen speelt,namelijk het toelaatbare gewichtvan de overlaging [4, 5]. Uit dezestudie bleek dat gewapend-beton-overlagingen met een totale diktevan 25-30 mm mogelijk zijn. Inverband met de zeer geringebetondekking moet dan eenalternatief voor het traditionelebetonstaal worden gezocht.Carbon(CFRP)-staven met inge-lijmde zandkorrels (?5,4 mm),geribd roestvaststaal en gecoatbetonstaal (?k= 6 mm) blekenhet meest perspectiefvol.Uit statische experimenten in eenvierpunts-buigopstelling bleek datde spanningen in het beton en hetstaal mogen worden berekend opbasis van een verondersteld lineairrekverloop over de hoogte van destaal-betondoorsnede [4, 5]. Dealdus berekende spanningsreduc-ties in het stalen dek bleken invermoeiingsberekeningen tot eenaanzienlijke levensduurverlenging(minimaal 70 jaar) te leiden. Metvervolgexperimenten met eendynamische belasting is nu onder-zocht of het voorspelde gunstigevermoeiingsgedrag kan wordenbevestigd [6].V o o r o n d e r z o e kVoor het onderzoek zijn twee vari-anten onderzocht. Beide hebbende volgende laagopbouw:12 mm staalplaat; 3 mm epoxy; 17mm beton. Direct na het aanbren-gen wordt in de epoxy gecalcineerdbauxiet ingestrooid (Dmax= 6 mm).De bauxiet zorgt voor de verbin-ding tussen de epoxy en het beton.In de betonlaag bevindt zich dewapening. Deze wapening bestaatuit geribd staal (gecoat betonstaal ofroestvaststaal; ?k= 6 mm) of eencarbon staaf (?5,4 mm, inclusiefingestrooid zand ?6 mm). Het hartVermoeiingslevensduur kan aanzienlijk worden verlengdDynamische belasting opoverlagingen voor beweegbarestalen brugdekkenir. A.G. Boeters, Royal Haskoning*)dr.ir.drs. C.R. Braam, dr. M.H. Kolstein en dr.ing. A. Romeijn, TU Delft, Fac.CiTGOrthotrope stalen brugdekken overlagen met gewapend beton is een geschik-te methode om staalspanningen op kritische punten in het dek te reduceren[1, 2, 3]. In 2006 is al eens onderzocht welke typen wapening geschikt zijn inde overlagingen van beweegbare bruggen [4, 5]. Statische experimentenleverden informatie over de stijfheid van de staal-betondoorsnede en de aan-hechtsterkte tussen de wapening en het beton. In de hier te bespreken vervolg-studie is het gedrag onder dynamische belasting onderzocht.*) Dit artikel is gebaseerd op een afstudeerwerk verricht aan de TU Delft. Afgezien van de auteurs hadden dr.ir. W. DeCorte (Universiteit Gent), dr.ir. M. Huurman (TU Delft) en prof.ir. F.S.K. Bijlaard (voorzitter, TU Delft) zitting inde afstudeercommissie. Tevens was P. Buitelaar (Contec ApS) bij het onderzoek betrokken. De experimenten zijn uitge-voerd door E. Scharp in het Stevin II laboratorium.1 |Orthotroop brugdek metoverlagingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbouwcement 2008 5 77ligt 11 mm boven de staalplaat. Detotale laagdikte op het staaldek is 20mm. De wapening heeft een hart-op-hartafstand van 12 mm.In een doorsnedeberekening(fig. 2) zijn de volgende materiaal-eigenschappen ingevoerd om despanningen in de materialen teberekenen:staaldek S355:Es=210103N/mm2;beton:fcc= 150 N/mm2; fct= 7 N/mm2;Ec= 44,5103N/mm2;betonstaal B500:Es= 200103N/mm2;carbonstaaf:E =150103N/mm2.In deze berekening zijn de elasti-citeitsmoduli en de betontrek-sterkte relevant. De laatstgenoem-de omdat rekening wordtgehouden met de krachtsover-dracht door het ongescheurdebeton (fig. 2). Aan de expoxylaagzijn geen sterkte en stijfheid indeze buigingsrichting toegekend.In de berekening is een momentaangebracht dat is ontleend aan demomentenverdeling over de dek-plaat in geval een wiellast van60 kN aangrijpt op de dekplaat,direct boven een langstrog (fig. 3).De trog wordt hierbij star onder-steund door een dwarsdrager. Indeze situatie treden de grootstmogelijke buigtrekspanningen inde dekplaat op. Met de modelleringzoals voorgesteld in [7] volgt eeninklemmingsmoment M = 2,63106Nmm/m. Dit moment op de dek-plaat-betondoorsnede resulteert inspanningen volgens tabel 1.Ten opzichte van de niet-overlaag-de uitgangsconstructie, is dereductie van de staalspanningenin de dekplaat 74% en 68% voorde variant met betonstaal, respec-tievelijk de CFRP-wapening.Twee-dimensionale eindige-ele-mentenberekingen zijn uitgevoerdom te verifi?ren of de met de door-snedeberekening gevonden span-ningen realistisch zijn. Geconclu-deerd werd dat het verschil beperktblijft tot maximaal 10% [6].Uitgaande van de in tabel 1 ver-melde spanningen is een vermoei-ingsberekening uitgevoerd. Hiertoeis de wiellast van 60 kN gebruikt.De relatie tussen het moment tengevolge van een wiellast en despanningen in de materialen (zietabel 1) is lineair verondersteld.Vermoeiingsmodellen voor hetbeton, het staal van de dekplaat ende wapening (betonstaal of CFRP)zijn gedefinieerd [5]. Uit de bereke-ningen volgt dat het staal van dedekplaat veruit maatgevend is. Hetvoorspelde aantal lastherhalingentot bezwijken is circa 220106voorde variant met betonstaal en circa160106voor de variant met deCFRP-wapening.E x p e r i m e n t e nVoor het experimentele vermoei-ingsonderzoek zijn proefstukkenin twee vierpunts-buigopstellingenbelast. Figuur 4 toont het statischeschema. De minimumkracht istype wapening in betonoverlaging carbon staalhoogte drukzone [mm] 11,8 16,3spanning dekplaat [N/mm2]onderinbovenin-42+24-32+10spanning wapening [N/mm2] +60 +50interface dekplaat-beton:schuifspanning [N/mm2] 1,1 1,32 |Doorsnedemodel: dwars-doorsnede met compo-nenten (links); rekverde-ling (midden) enspanningen (rechts)3 |Dwarsdoorsnede van dek-plaat en langstrog terplaatse van de verbindingmet een dwarsdragerbelast door een wiellast.Rechts de schematisatie toteen aan beide zijden inge-klemde ligger4 |Vierpunts-buigproef:statisch schema (boven)Tabel 1 | Resultaten doorsnedeberekening dekplaat-gewapend bij een steunpuntmomentM = 2,63x106Nmm/mdwarskrachtenmomentenSchematisering250mm/200mm100mm 100mm75mm/100mm75mm/100mmbetonepoxystaalwapeningongescheurdbetonwapeningwapeningfct112q mod3 B trough2dekplaatdekplaat 2dwarsdrager langstroglangstrogO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbouw78 cement 2008 5050100150200250300350400450500CFRP - theoriebetonstaal - theorieCFRP - experimentenbetonstaal - experimentenstaalspanningdekplaat[N/mm2]moment [?10 2Nmm]0,50,0 1,0 1,5 2,0 2,5051015202530354045CFRPbetonstaalbuigstijfheid[?109Nmm2]moment [?10 6Nmm]0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,50,0000,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,009rek[-]CFRP - theoriebetonstaal - theorieCFRP - experimentenbetonstaal - experimenten0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5moment [?10 6Nmm]10% van de maximumkracht.De proefstukken hebben eenbreedte van 100 mm, een diktevan 32 mm (12 mm dekplaat plus20 mm epoxylaag/bauxiet/beton)en een lengte van 600 mm. Gere-gistreerd zijn de doorbuiging inhet midden van de overspanning(met verplaatsingsopnemers), derek in het staal van de dekplaat(zowel aan de meest gedrukte zij-de als over de hoogte (12 mm) aande zijkanten; met rekstroken) ende langsvervorming van het optrek belaste betonoppervlak (metverplaatsingsopnemers). In hetdwarskrachtgebied is ook de ver-vorming over de hoogte van hetproefstuk (32 mm) met een ver-plaatsingsopnemer geregistreerd.Deze wordt gezien als een maatvoor de beschadiging door scheur-vorming in het dwarskrachtgebied.Er zijn twaalf proefstukken vervaar-digd; zes met carbon staven, zesmet traditioneel betonstaal (geribdroestvaststaal of gecoat geribdbetonstaal representerend). Hetinklemmingsmoment M = 2,63106mm/m dat ten gevolge van eenwiellast van 60 kN optreedt, komtbij een proefstukbreedte van 100mm overeen met een maximummoment M = 0,263106Nmm.Omdat de staalspanningen danrelatief laag zijn, is besloten debelasting hoger te kiezen.De vermoeiingsexperimenten zijngestart met het geleidelijk opvoerenvan de belasting. Na het bereikenvan de maximumbelasting, isgewacht tot de vervormingen enverplaatsingen een constante waar-de bereikten. Dit resultaat isgebruikt ter verificatie van het door-snedemodel dat is gebaseerd op hetgedrag onder een statische belas-ting. Tabel 2 geeft de grootte vanhet maximum buigend moment inde twaalf experimenten.S t i j f h e i dUit de experimenten is de buigstijf-heid afgeleid op basis van de in hetmidden van het proefstuk gemetendoorbuiging. In deze berekening isverondersteld dat de buigstijfheidconstant is over de gehele lengtevan het proefstuk. Het resultaat isvergeleken met de buigstijfheidzoals deze is gevonden met de eer-der besproken doorsnedebereke-ning. Laatstgenoemde geeft een EI= 10109Nmm2voor de proefstuk-ken met CFRP-wapening en EI =15109Nmm2voor de proefstukkenmet betonstaal. Omdat in hetmodel wordt uitgegaan van hetgedrag in een gescheurde door-snede, is de buigstijfheid onafhan-kelijk van de grootte van het bui-gend moment. Figuur 5 geeft deresultaten verkregen voor de proef-stukken en de resultaten van dedoorsnedeberekening.De proefstukken met betonstaalblijken met name bij de relatiefgeringe belasting een veel stijvergedrag te vertonen. Dit kan wor-den verklaard uit de tension-stif-fening ofwel de bijdrage aan destijfheid van het beton tussen descheuren dankzij de aanhecht-spanningen van de wapening.S c h e u r v o r m i n g / b e t o n r e kDe resultaten verkregen met deverplaatsingsopnemer (registratie-lengte 100 mm) evenwijdig aanhet betonoppervlak zijn omgere-kend tot de verlenging van deuiterste betonvezel. In figuur 6 ishet resultaat weergegeven voor deproefstukken en het doorsnede-model. De experimentele resulta-ten zijn afgerond op veelvoudenvan de rek van 0,0005. Dit met hetoog op de nauwkeurigheid van deregistraties: een rek van 510-4komt bij een registratielengte van100 mm overeen met een ver-plaatsing van 0,005 mm, hetgeende orde van grootte van nauwkeu-righeid van de opnemers is.De scheurafstand is 10-15 mm. Bijeen registratielengte van 100 mmis de gemiddelde scheurwijdtedan circa 1/8 van de geregistreer-de verlenging.S p a n n i n g e n i n d e k p l a a tDe spanning in het staal van dedekplaat, gelegen in de meestgedrukte vezel, kan direct wordenberekend uit de registratie van dealdaar bevestigde rekstrook.Figuur 7 toont de experimenteelbepaalde resultaten en de uitkom-sten van het doorsnedemodel.Een vergelijking van de experimen-teel bepaalde en theoretisch bere-kende resultaten wijst uit dat deconstructie kan worden beschouwdals een composiet, met volledigesamenwerking tussen de betonlaagen de stalen dekplaat. De rekkenaan het betonoppervlak (trekzijde)en in de stalen dekplaat (drukzijde)blijken relatief goed te voorspellen.De buigstijfheid is daarentegen5 |Buigstijfheid overlaagdedekplaten uit geregi-streerde doorbuigingberekend6 |Gemiddelde rek in deuiterste betonvezel bere-kend uit de geregistreer-de verlenging en volgenshet doorsnedemodel7 |Relatie tussen de span-ning in het staal van dedekplaat (uiterste vezelin de drukzone): experi-menten versus doorsne-demodelO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbouwcement 2008 5 79lastig te voorspellen, met namedoor de invloed van scheurvormingin het beton. Pas bij een relatiefgroot buigend moment wordt eenacceptabele overeenkomst tussentheorie en experiment verkregen.Dit vanwege de geleidelijke afnamevan de tension-stiffening,L e v e n s d u u r e n b e z w i j k -b e e l d e nBij M = 0,40106Nmm, M =1,70106Nmm (beide CFRP gewa-pend) en M = 1,00106Nmm (be-tonstaal gewapend) blijken deproefstukken niet te bezwijken.Na respectievelijk 30106, 10106en 13106lastherhalingen zijndeze experimenten daarom be?in-digd. De negen resterende proef-stukken zijn tot bezwijken belast.In tabel 3 is aangegeven na hoe-veel lastherhalingen bezwijkenoptreedt. Tevens is de oorzaak vanbezwijken vermeld.Bij de proefstukken gewapendmet betonstaal wordt bezwijkeningeleid door breuk van een vande ingestorte wapeningsstaven(foto 8). Ondanks het feit dat hetbelasten vervolgens nog kan wor-den voortgezet, wordt het op datmoment bereikte aantal lastherha-lingen beschouwd als bepalendvoor het vermoeiingsgedrag.Zo blijkt bijvoorbeeld bij het metbetonstaal gewapende proefstukbelast met M = 1,7106Nmm dat,ondanks het optreden van de eer-ste staafbreuk (na 328 000 lasther-halingen), nog circa 200 000 las-therhalingen kunnen wordenuitgeoefend alvorens het proef-stuk werkelijk bezwijkt. De staaf-breuk manifesteert zich als eenplotselinge sterke toename van dedoorbuiging en de rekken.De proefstukken met CFRP-wape-ning bezwijken door het onthech-ten van de staven; deze slippen tenopzichte van het omhullendebeton. Uit de vervormingen waar-genomen in het dwarskrachtgebiedblijkt het bezwijken te wordeningeleid door een sterke toenamevan de vervorming gemeten overde hoogte van het proefstuk. Bijeen van deze proefstukken groeiende scheuren in deze zone ver dooren leiden tot het onthechten vanhet beton en de dekplaat.L e v e n s d u u r v o o r s p e l l i n gBij het berekenen van de vermoei-ingsrestlevensduur van een over-laagde dekplaat wordt uitgegaanvan de volgende criteria.Aanhechting stavenDwarskrachtscheuren in de zonestussen de aangrijpingspunten vande belastingen en de opleggingenblijken de verankeringen van destaven te be?nvloeden. Bij een toe-name van de optredende scheur-wijdten blijkt de verankeringsteeds meer naar het uiteinde vanhet proefstuk te verplaatsen. Ditverschijnsel treedt met name op bijde CFRP-staven. Daarom zijn op-nemers geplaatst die in het dwars-krachtgebied de verandering vande proefstukhoogte registreren.Deze vervorming wordt gezien alseen maat voor de optredendescheurwijdte. Uit de experimentenblijkt dat bij een vervorming van0,05 mm bezwijken optreedt. Omeen en ander modelmatig te voor-spellen is met een vakwerkmodelde krachtsoverdracht tussen dedekplaat en de wapening gesche-matiseerd. Omdat geen verticale(beugel)wapening aanwezig is,worden de verticale trekkrachtendoor het beton opgenomen. De indeze staven optredende grootstebetontrekspanning is gekoppeldaan deze vervorming. Uit de expe-rimenten kan een relatie tussendeze trekspanning en het aantallastherhalingen tot breuk (d.w.z.een vervorming groot 0,05 mm)worden afgeleid.StaalVoor het betonstaal zijn vermoei-ingsrelaties uit Eurocode 2 (NEN-EN 1992-1-1 art. 6.8.4) aangehou-den; voor de dekplaat Eurocode 3(NEN-EN 1993-1-1).proefstuk - type wapening moment [kNm]CFRP 0,4 - 1,7 - 1,9 - 2,0 - 2,1 - 2,3betonstaal 1,0 - 1,2 - 1,2 - 1,4 - 1,7 - 2,0typewapeningmoment[106Nmm]aantal lastherhalingen[106Nmm]bezwijkvormbetonstaal 1,0 13 niet bezweken; experimentgestoptbetonstaal 1,2 10,6 breuk betonstaalbetonstaal 1,2 1,6 breuk betonstaalbetonstaal 1,4 1,66 breuk betonstaalbetonstaal 1,7 0,33 breuk betonstaalbetonstaal 2,0 0,24 breuk betonstaalCFRP 0,4 30 niet bezweken; experimentgestoptCFRP 1,7 10 niet bezweken; experimentgestoptCFRP 1,9 0,49 onthechting CFRPCFRP 2,0 0,81 onthechting grenslaag enCFRPCFRP 2,1 0,004 onthechting CFRPCFRP 2,3 0,006 onthechting CFRPTabel 2 | Maximum buigend moment in proefstukkenTabel 3 | Aantal lastherhalingen tot bezwijkenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbouw80 cement 2008 5Carbon wapeningVoor het beschrijven van de ver-moeiingssterkte van de carbonsta-ven zijn relaties zoals beschrevenin de literatuur beschouwd. Decurven zijn weergegeven door eenconstante vermoeiingssterkte, na-melijk 60% van de statische sterkte.De wiellast (60 kN) is ontleend aanEurocode 1 (load model 3) [8]. Bere-kend is hoeveel lastherhalingen vandeze grootte kunnen worden door-staan. In het vermoeiingsmodel iseen detailclassificatie voor de dek-plaat - langstrogverbinding aange-houden zoals gevonden in [9]:detailcategorie 147, wat betekentdat de vermoeiingsrelatie voor dedekplaat is gebaseerd op bezwijkenna 2106lastherhalingen bij eenspanningsvariatie van 147 N/mm2[10]. Uit de berekeningen volgt eenlevensduur van 36 jaar voor deoverlaagde variant gewapend metbetonstaal; 28 jaar voor een variantmet carbon. In deze berekeningenis het staal van de dekplaat op drukbelast maatgevend; de wapening isniet maatgevend. Dit in tegenstel-ling tot de experimenten, waarinjuist de wapening maatgevendbleek (slippen van de carbonstaven,dan wel breuk in het betonstaal).Het verschil wordt veroorzaakt doorde grootte van de belastingen: bijhoge belastingen zoals toegepast inde experimenten is de wapeningmaatgevend voor de levensduur; bijde relatief lage verkeersbelastingenis de stalen dekplaat maatgevend.C o n c l u s i eHet met een gewapend-betonrepa-ratielaag overlagen van een beweeg-baar stalen brugdek lijkt een haal-baar alternatief. Dit ondanks hetfeit dat deze, met het oog op hetgeringe toelaatbare gewicht, relatiefdun moet zijn. Door niet-corrosie-gevoelige wapening toe te passen(carbonstaven of geribd roestvaststaal) kan worden volstaan met eenzeer geringe betondekking. Bij eentotale overlagingsdikte van 20 mmkan ruimschoots worden voldaanaan de gewichtseis: 47 kg/m2(car-bon) en 64 kg/m2(betonstaal), waarmaximaal 70 kg/m2is toegestaanals alleen de zwaarst belaste rechterrijstrook wordt overlaagd.Vervolgonderzoek waarbij eenbrugdek experimenteel wordtgetest, moet uitwijzen of eenpilotproject in de naaste toekomstmet voldoende vertrouwen kanworden uitgevoerd. nL i t e r a t u u r1. Buitelaar, P., Zeer dunne over-laging met hogesterktemor-tels. Cement 1999 nr. 7.2. Buitelaar, P., Ultra thin heavyreinforced high performanceconcrete overlays. 6th Inter-national symposium on utili-zation of high strength / highperformance concrete.Leipzig, juni 2002.3. Braam, C.R., N. Kaptijn & P.Buitelaar, Hogesterktebetonals brugdekoverlaging. Cement2003 nr. 1.4. Schrieks, M.C., Lifespanenlargement of deck plates ofmovable steel bridges. Afstu-deerrapport, TU Delft, 2006.5. Schrieks, M.C., C.R. Braam &M.H. Kolstein, Overlagingenvoor beweegbare stalen brug-dekken. Cement 2006 nr. 8.6. Boeters, A.G., Concrete overlayof movable steel orthotropicbridges - the repair method formovable steel bridges. Afstu-deerrapport TU Delft, 2007.7. Jong, F.B.P. de, Overviewfatigue phenomenon in ortho-tropic bridge decks in TheNetherlands. Orthotropicbridge conference, Sacramen-to, 2004.8. NEN-EN 1991-2: 2003: Euro-code 1 `Belastingen op con-structies - Deel 2: Verkeersbe-lasting op bruggen'. NENDelft, 2003.9. Jong, F.B.P. de, Renovationtechniques for fatigue crackedorthotropic steel bridge decks.Proefschrift TU Delft, 2007.10. NEN-EN 1993-1-9: 2003: Euro-code 3 `Ontwerp en bereke-ning van staalconstructies -Deel 1-9: Vermoeiing'. NENDelft, 20068 |Vermoeiingsexperiment:bezwijken van het proef-stuk ingeleid door breukvan het betonstaal