2 Levensduur­ verlenging met buigzaam beton Afstudeeronderzoek alternatieve versterkingsmethode voor vermoeiingsgevoelige stalen rijdekken levensduur verlenging met buigzaam beton 2014 3 slijtlaagø 12-75 20 60 10 ø 8-500 betonoverlaging hechtlaag rijdekplaat 1 De Van Brienenoordbrug over de Nieuwe Maas aan de Oostkant van Rotterdam foto: https://beeldbank.rws.nl, Rijkswaterstaat / Harry van Reeken2 Principetekening HSB-overlaging 1 2 ir. Gökhan Dilsiz 1) Antea Group Vermoeiingsscheuren in stalen rijdekken zijn een bekend probleem in Nederland. De scheuren worden veroorzaakt door hoge staalspannings- variaties als gevolg van het wegverkeer. Deze span- ningsvariaties kunnen sterk worden gereduceerd als het dek wordt overlaagd met hogesterktebeton. De praktijk heeft echter aangetoond dat deze methode uitvoeringsgevoelig is. Als afstudeerproject aan de TU Delft is hiertoe een alternatief onderzocht met het cementgebonden materiaal Engineered Cemen- titious Composite (ECC) [1]. 1) Gökhan Dilsiz is met zijn afstudeeronderzoek 'Levensduurverlenging van vermoeiingsge- voelige, orthotrope stalen brugdekken met Engineered Cementitious Composite (ECC)' afgestudeerd aan de TU Delft, faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen. Hij heeft zijn afstudeeronderzoek verricht bij Arup en werd begeleid door prof.dr.ir. D.A. Hordijk, ir. E. Vonk (Arup), dr.ir.drs. C.R. Braam en dr. M.H. Kolstein. Gökhan werkt sinds september 2013 bij Antea Group (voorheen Oranjewoud). Sinds eind jaren negentig is er in Nederland meer aandacht voor vermoeiingsscheuren in orthotrope stalen brugdekken. Aanleiding hiervoor waren de dekplaatscheuren in de rijvloer van het val van de tweede Van Brienenoordbrug (foto 1). Dergelijke vermoeiingsscheuren kunnen een gevaar vormen voor het wegverkeer en zijn lastig te inspecteren. Onderzoek wijst uit dat deze scheuren kunnen worden voorkomen door brugdekken te overlagen met zwaargewapend hogesterktebeton (HSB) [2-3]. De oorspronkelijke asfaltlaag wordt hierbij vervangen door HSB. De renovatiemethode is inmiddels meer - dere keren toegepast. In de komende jaren wordt nog een aantal stalen bruggen op deze wijze versterkt. Het principe van de HSB-overlaging is dat de buigstijfheid van het dek wordt vergroot doordat er stijfheid wordt toegevoegd aan de dekplaat; de dekplaat gaat samenwerken met de overla- ging. Door een grotere buigstijfheid reduceren de staalspan- ningsvariaties, wat vermoeiingsschades voorkomt. In Cement is eerder uitgebreid ingegaan op deze methode [4-7]. De overla- ging bij deze methode is dun (60 tot 75 mm) en bestaat uit een droog mengsel van ter plaatse gestort HSB met zeer veel wape- ning (fig. 2). De stijve overlaging wordt verbonden met de dekplaat door middel van een ingestrooide epoxylaag. Stroef- heid wordt gerealiseerd door een epoxyslijtlaag. Uitvoeringsgevoeligheid HSB ­overlaging Hoewel de HSB-overlaging zeer effectief is om vermoeiings- schades te voorkomen, zijn er diverse complicaties in de praktijk [3,7]. Deze worden grotendeels veroorzaakt door de aanwezigheid van traditionele wapening. Zo kan het combine- ren van een dicht wapeningsnet met het droge HSB zorgen voor onvoldoende verdichting van het mengsel. Daarnaast is de HSB-overlaging gevoelig voor autogene krimpscheuren en bestaat er door de tolerantiegevoeligheid een groot risico op ENCI Studieprijs 2013 Dit is het eerste artikel in een serie met bijdragen van prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2013. De studie die in dit artikel wordt beschreven, ontving de innovatieprijs. Zie ook www.cementonline.nl/encistudieprijs. Daar is ook het afstudeerrapport te downloaden. levensduur verlenging met buigzaam beton 2014 4 (a) verdeeld scheurpatroon (ECC)(b) discrete scheur (trad. vezelbeton) (c) scheurwijdte (gewapend HSB) wapeningscorrosie c nom stijfheid behoudt gedurende de beoogde levensduur van het dek. Eind jaren negentig vertrouwde men op de hoge sterkte van HSB. Zo werd in de eerste berekeningen een lineair-elas- tisch gedrag aangenomen met de ongescheurde stijfheid van HSB [3]. Echter, in de praktijk bleken betonscheuren te ontstaan waardoor de staalspanningsreductie wordt beperkt en duurzaamheid een rol gaat spelen. Hiertoe werd een grotere overlagingsdikte toegepast dan men in eerste instantie nodig dacht te hebben. Verwacht zou worden dat door toepassing van een sterkere betonsoort dan HSB (vezelversterkt UHSB ofwel vvUHSB) de overlaging ongescheurd zou blijven. Het tegendeel is echter waar. Een sterkere betonoverlaging is weliswaar stijver, maar trekt hierdoor meer betontrekspanning aan. Dit kan leiden tot scheurvorming van het beton. Het beheersen van scheurvor - ming (en behoud van stijfheid) zou leiden tot hoge wapenings- percentages (of vezelgehalte). Daarnaast heeft een dergelijk mengsel vaak een grotere autogene krimpvervorming. Door (gedeeltelijk) verhinderde krimpvervorming treden aanzien- lijke betontrekspanningen op. De overlaging is hierdoor gescheurd en heeft zijn effectiviteit al deels verloren zonder dat het rijdek ooit belast is geweest (fig. 3b). Hierdoor is niet verder gekeken naar een in-situ gestorte overlaging van vvUHSB. Benutting vezels In het afstudeeronderzoek is juist gekozen voor een minder sterk beton, waarbij vezels beter tot hun recht komen. Achter - grond hierbij is dat de vezels in een doorsnede minstens de scheurkracht van de matrix moeten kunnen overdragen. Een grotere treksterkte van de matrix eist dus een groter vezelge- halte. Dit vezelgehalte kan zo hoog worden dat het ten koste gaat van de verwerkbaarheid van het mengsel. Een andere reden om het gebruik van vezels te beperken, is de hoge kost- prijs ervan. Het principe van vezelbeton met een relatief zwakke matrix werd in de jaren negentig toegepast door profes- sor Victor Li van de Universiteit van Michigan om een zeer ductiel vezelbeton te ontwikkelen, genaamd Engineered Cementitious Composite (ECC) [8] (foto 4). ECC ECC is een vezelversterkte betonsoort die ten opzichte van traditioneel vezelbeton gunstiger eigenschappen heeft in het na-scheurgedrag. Dit gedrag is het zogenoemde pseudo strain- hardening met een verdeeld scheurenpatroon. 'Hardening' houdt in dat de kracht die door de vezels kan worden overge- bracht groter is dan de scheurkracht van de matrix. Hierdoor onvoldoende betondekking (fig. 3c). De combinatie van scheu- ren en onvoldoende dekking kan zorgen voor een verhoogd risico op wapeningscorrosie. Om deze reden worden strenge eisen gesteld ten aanzien van de uitvoering van de HSB-overla- ging. De betonscheuren hebben overigens niet alleen invloed op de duurzaamheid van de overlaging, maar reduceren ook de stijf- heid van het dek (tot wel 50%). Hierdoor is het niet mogelijk de volledige ongescheurde stijfheid van HSB te benutten. De complicaties bij de HSB-overlaging zijn aanleiding geweest een alternatief te onderzoeken waarbij vezels de traditionele wapening vervangen. Sterkteparadox De ideale overlaging als antwoord op het vermoeiingsprobleem is een stijf materiaal, dat goed hecht aan het dek en dat zijn 3 4 3 Verdeeld scheurpatroon bij ECC (a), spanningsconcentratie bij traditioneel vezelbeton door discrete scheurvorming (b) en (uitvoerings- en duurzaam- heids-)problemen bij de HSB-overlaging (c) 4 Buigproef ECC levensduur verlenging met buigzaam beton 2014 5 spanning [MPa] rek [%] monotone trekproef #1cyclische trekproef #2cyclische trekproef #3 (b) strain-hardening (c) strain-softening (a) scheursterkte bereikt 0 0 1 23 4 56 1 2 3 4 5 6 4,9 MPa 2% -50 MPa schematisatie spanning-rekrelatie E el = 21,6 GPa E d (hist,1) hist,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0,5 11,5 22,5 33,5 4 gescheurde stijfheid E d [GPa] rekhistorie bij trekspanning [%] trekproef #2 cyclischtrekproef #3 cyclisch ontstaan haarfijne scheuren (orde grootte 50 ?m) op telkens een andere locatie en is een zeer grote trekvervorming (rek) mogelijk (tot wel enkele procenten). Het materiaal wordt door de grote krommingen dat het kan ondergaan ook wel buigzaam beton genoemd (fig. 4). De strain-hardening wordt geoptimali- seerd door in het ontwerp van het mengsel vezels en matrix op elkaar af te stemmen (met micro- en breukmechanische begin- selen). Dit leidt meestal tot een lage E-modulus (ongescheurd 20 GPa), een laag vezelgehalte (2%), een lage treksterkte (3 MPa), grote krimpvervorming (droogkrimp), grote verwerk- baarheid en een laag eigen gewicht. ECC wordt gekenmerkt door het optreden van een fijnverdeeld scheurenpatroon. Daarom kan het na-scheurgedrag in rekken worden uitgedrukt. Dit in tegenstelling tot traditioneel vezelbe- ton waarvan het na-scheurgedrag met een trekspanning- scheurwijdterelatie wordt beschreven. Deze wordt daarna omgewerkt tot een trekspanning-rekrelatie. Het bij ECC direct kunnen toepassen van een spanning-rekrelatie vereenvoudigt het uitvoeren van berekeningen. Het spanning-rekdiagram (fig. 5) lijkt op dat van staal en kent drie karakteristieke gebie- den: het lineair-elastisch gebied, het strain-hardeninggebied en het strain-softeninggebied. 5a 5b 6 5 Resultaten trekproeven met ECC; (a) scheursterkte bereikt, (b) strain-hardening en (c) strain-softening 6 Relatie tussen gescheurde stijfheid E d en rekhistorie, waarbij rekhistorie = vervormingshistorie/gescheurde meetlengte Gescheurd gedrag ECC Om inzicht te krijgen in het uiteindelijke effect van ECC op de overlaging is het belangrijk te weten hoe het materiaal zich gedraagt na scheurvorming. Daarom zijn vervormingsgestuurde centrische trekproeven uitgevoerd in het Stevinlaboratorium van de TU Delft. De proefstukken zijn gemaakt van een standaard ECC-mengsel met een grote verwerkbaarheid. Er zijn zowel monotone als cyclische proeven uitgevoerd, waarbij de spanning- rekrelatie is bepaald voor verschillende rekhistoriën (fig. 5a). De rekhistorie is de maximale rekvervorming (onder trekspanning) die het proefstuk heeft ondergaan. Om het materiaal te kunnen modelleren, is de uit trekproeven verkregen spanning-rekrelatie vereenvoudigd met de volgende materiaalkarakteristieken: E el (ongescheurde elasticiteitsmodu- lus), f ct (scheursterkte/treksterkte), E d (?hist) (fictieve gescheurde stijfheid als functie van de rekhistorie) en ? max (rekcapaciteit) (fig. 5b). De cyclische relatie is wiskundig beschreven: formules levensduur verlenging met buigzaam beton 2014 6 naar nc ECC staal - + - 10 000 - 8000 - 6000 - 4000 - 2000 0 2000 0 2,00 · 10 -0,6 4,00 · 10 -0,6 6,00 · 10 -0,6 8,00 · 10 -0,6 1,00 · 10 -0,5 moment [Nmm/mm] kromming [1/mm] (E I)el scheurmoment: 6097 Nmm / mm belastinghistorie niet-actieve zone restkromming na scheurvorming blijvend verzwakt belastingshistorie ? = 1,7 ? 10 -6 ? = 6,16 ? 10 -6 ? = 8,79 ? 10 -6 -30(4) (3) (2) (1) (1) (2)(3)(4) -25 -20 -15 -10 -5 0 5 dekplaat manier kan bij een gegeven moment de staalspanning in de meest gedrukte vezel van de doorsnede worden bepaald (fig. 9). De modelresultaten wijzen uit dat het strain-hardeninggedrag zorgt voor een gunstige herverdeling van spanningen. Het gescheurde deel van de doorsnede wordt minder stijf, maar blijft nog steeds actief met gescheurde stijfheid E d (?hist). De staalspanningsreductie wordt bepaald door de momenthis- torie en de overlagingsdikte. Hoe groter de momenthistorie, des te ongunstiger de relatie moment-staalspanning (fig. 10). Het vergroten van de overlagingsdikte resulteert in een hogere buigstijfheid en scheurmoment (fig. 11). Bij eenzelfde momen- thistorie komt hierdoor de moment-staalspanningsrelatie 8 7 7 Toelichting meerlagenmodel 8 Cyclisch moment-krommingrelatie (60 mm ECC; 10 mm dekplaatdikte; geen krimp) (blauw: monotoon traject, rood: cyclisch traject) 9 Spanningsverdeling voor belastingshistorie en verschillende krommingen in het cyclisch na-scheurgedrag (60 mm ECC; 10 mm dekplaatdikte; geen krimp) 9 voor de lineair-elastische tak, de monotone strain-hardeningtak en drie cyclische takken. Uit de resultaten valt op te maken dat er een omgekeerd evenre- dige relatie bestaat tussen de gescheurde stijfheid (E d) en de vervormingshistorie ( ? hist) (fig. 6). Bij ontlasten blijft er een rest- rek (plastische vervorming) over doordat vezels worden uitge- trokken. Door het knikken van uitgetrokken vezels is er een niet- actief deel ( ? c = 0) in de spanning-rekrelatie (na strain-hardening en ontlasten gaat de grafiek over in een horizontaal deel). Kortom, gescheurd ECC is nog steeds effectief na scheurvor - ming, mits de rekhistorie beperkt is gebleven. Deze rekhistorie wordt in de praktijk veroorzaakt door (gedeeltelijk) verhin- derde opgelegde vervormingen, verkeersbelastingen en globale vervormingen van de brug. Gedrag ECC op staalplaat In het afstudeeronderzoek is het buiggedrag van de ECC-staal- doorsnede gesimuleerd met een meerlagenmodel. Van het model is een Matlab-script opgesteld. Het principe is eerder gebruikt om het gedrag van vezelbeton te simuleren en is ook zeer geschikt voor ECC. Het materiaalgedrag mag zoals gezegd immers direct in spanning en rek worden beschreven. De werking van het model is eerder beschreven in Cement [9] (fig. 7). De wiskundig uitgedrukte spanning-rekrelatie van ECC en staal is opgenomen in het model zodat het cyclisch buiggedrag kan worden gesimuleerd. Het meerlagenmodel gaat uit van perfecte hechting (geen schuifvervorming) tussen de overlaging en het staal en een lineair rekverloop. Opgelegde vervorming als gevolg van krimpvervorming is meegenomen. Het model bepaalt voor een gegeven kromming de spannings- en rekverdeling en het buigend moment (fig. 8). Op deze levensduur verlenging met buigzaam beton 2014 7 staalspanning in meest gedrukte vezel [MPa] - 2000- 4000- 6000- 8000- 10 000 - 12 000 monotoon cyclisch cyclisch moment [Nmm/mm] Mmax= -1011 Nmm/mm Mmax= -9042 Nmm/mm 0 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -50 0 -2000 40 mm 50 mm60 mm 70 mm -4000 -6000 staalspanning in uiterste vezel [MPa] moment [Nmm/mm] -8000 -10 000 -12 000-14 000 ECC lijf dwarsdrager kritiek vermoeiingsdetail l gunstiger uit bij een grotere overlagingsdikte. Op deze wijze kan men een overlagingsdikte afstemmen op de belastingshis- torie en de benodigde spanningsreductie in de dekplaat. Er is gekeken naar de spanningsreductie in een dekplaat met 10 mm staaldikte in combinatie met een overlagingsdikte van 75 mm (vergelijkbaar met recent overlaagde bruggen). De modelresultaten tonen aan dat nagenoeg dezelfde spanningsre- ductie kan worden gerealiseerd met een ECC-overlaging als met de HSB-overlaging. De rekhistorie in de gescheurde zone blijkt beperkt te zijn waardoor ECC na verkeersbelasting en opgelegde vervorming nog steeds in staat is staalspanningen te reduceren. Opgemerkt moet worden dat hier is gekeken naar de invloed van lokale wiellasten en niet de globale vervorming van de brug. Nog een verrassend resultaat is de invloed van krimp. Waar voor HSB krimpvervorming ongunstig blijkt te zijn, heeft de uitdrogingskrimp op ECC een gunstig effect. Het niet-actieve deel in de spanning-rekrelatie (? c = 0) wordt vermeden door het aanwezig blijven van een rek, waardoor vezels worden geac- tiveerd. Herverdeling momenten Door de statisch onbepaalde aard van een orthotroop stalen rijdek zou scheurvorming van de ECC-overlaging moeten leiden tot een gunstigere momentenverdeling. De herverdeling is bepaald met een niet-lineair liggermodel. Ook van dit model is een Matlab-script opgesteld. In het onderzoek is aangenomen dat de trog-dekplaatverbin- ding ter plaatse van de dwarsdragers maatgevend is (fig. 12). De grote steunpuntsmomenten op deze locatie zijn oorzaak 10 11 12 10 Relatie tussen wisselspanning (in staal) en buigmoment bij verschillende voorbelastingen (overlagingsdikte: 60 mm ECC; dekplaatdikte: 10 mm) (blauw: monotoon, groen en rood: cyclisch) 11 Relatie tussen staalspanning en moment voor verschillende overlagingsdikten (10 mm dekplaatdikte; geen krimp) 12 Vereenvoudigd mechanicamodel en locatie kritiek vermoeiingsdetail voor vermoeiingsschades die een gevaar vormen voor het wegverkeer en lastig inspecteerbaar zijn. Het buigmoment op de kritieke locatie is bepaald door middel van een vereenvou - digd mechanicamodel (fig. 12). Dit model is meerdere malen toegepast om het beschouwde vermoeiingsdetail te bestuderen [10, 11]. Het processchema van het niet-lineaire liggermodel is weerge- geven in figuur 13. Het model maakt gebruik van de inklem- mingsrandvoorwaarde (x = 0, ? = 0) en de symmetrievoor - waarde (x = L/2, ? = 0). Allereerst wordt een lineair-elastische momentverdeling aangenomen waarmee de krommingsverde - ling wordt bepaald. De moment-krommingrelatie wordt bepaald met het eerdergenoemde meerlagenmodel. Door krommingen numeriek te integreren over de lengte van de levensduur verlenging met buigzaam beton 2014 8 bepaal momentenverdeling M st check randvoorwaarde = 0 bepaal rotatie = 0 bepaal krommingen input: belasting q input: M--relatie geometrie constructie, kan de rotatie worden bepaald in het symmetrie- punt en worden getoetst aan de randvoorwaarde (?? = 0). Indien niet wordt voldaan aan de randvoorwaarde, wordt het steunpuntsmoment (statisch onbepaalde kracht) stapsgewijs gereduceerd totdat de oplossing wordt gevonden. Het model is toepasbaar voor alle statisch onbepaalde constructies, mits de randvoorwaarden worden aangepast. Uit de modelresultaten is gebleken dat voor het beschouwde vermoeiingsdetail nagenoeg geen winst is te behalen uit de herverdeling van momenten. Vervolgstudie met niet-lineaire berekeningen moet uitwijzen of eventuele winsten zijn te behalen bij een beschouwing van het dek op grotere schaal (beschouwing rijvloer of gehele brug). Hechting Voor een effectieve samenwerking tussen staal en overlaging moet een goede hechting aanwezig zijn. Bij de HSB-overlaging is dit gerealiseerd door een ingestrooide epoxylaag. Deze hechtlaag kan de effectiviteit van de overlaging verminderen, daar de stijfheid van de hechtlaag klein is. Onderzoek [12] wijst echter uit dat ECC ook zonder hechtlaag een uitstekende hech- ting heeft op staal. Waar traditioneel vezelbeton door discrete scheurvorming zich onthecht bij de scheurtip, kan ECC-staal een zeer grote kromming ondergaan zonder te onthechten. Tot slot Het gunstige na-scheurgedrag van ECC maakt het materiaal zeer geschikt voor de toepassing als betonoverlaging voor brug- dekken. Omdat ECC ook na scheurvorming actief blijft, wordt een significante staalspanningsreductie gerealiseerd. Dit resul- teert in een langere levensduur voor orthotrope stalen rijdek- ken. In het afstudeeronderzoek zijn echter nog mogelijkheden en vragen die onbelicht en onbeantwoord zijn gebleven. Het is dan ook gewenst het onderzoek voort te zetten. Zo is het mogelijk perspectiefvol zelfhelend ECC toe te passen waarbij (een deel van) de verloren stijfheid kan worden teruggewonnen [13]. ? ? literatuur 1 Dilsiz, G., Levensduurverlenging van vermoeiingsgevoelige ortho - trope stalen brugdekken met Engineered Cementitious Compo - site (ECC). Afstudeeronderzoek, Technische Universiteit Delft, 2 augustus 2013. 2 Jong, F.B.P., de, Renovation techniques for fatigue cracked orthotro - pic steel bridge decks. Proefschrift, Technische Universiteit Delft, 9 januari 2007. 3 HSB-Betonoverlagingen op stalen bruggen, rapport 6742-1-5. Kennisdocument, Adviesbureau ir. J.G. Hageman B.V., december 2009. 4 Braam, C.R., Kaptijn, N. en Buitelaar, P., Hogesterktebeton als brug- dekoverlaging. Cement 2003/1. 5 Schultz, W., Overlaging brugdekken. Cement 2012/5. 6 Dooren, F., van en Sliedrecht, H., Betonnen overlaging stalen rijdek Moerdijkbrug. Cement 2008/5. 7 Vos, O. en Leeuwen, R., van, Overlagingen met SVB. Cement 2011/3. 8 Li, V.C., From micromechanics to structural engineering ? the design of cementitious composites for civil engineering applications. Journal of Structural Mechanics and Earthquake Engineering, 1993. 9 Yang, Y., Walraven, J.C. en Uijl, J.A., den, Overlaging hoogwaardig vezelbeton op een orthotroop stalen brugdek. Cement 2008/5. 10 Boeters, A.G. en Braam, C.R., Dynamische belasting op overlagingen voor beweegbare stalen brugdekken. Cement 2008/5. 11 Dooren, F., van, Vermoeiingsproblematiek stalen rijvloeren. Presenta- tie themamiddag 'Vermoeiing van stalen bruggen', 9 december 2008. 12 Walter, R., Cement-Based Overlay for Orthotropic Steel Bridge Decks: A Multi-Scale Modeling Approach. Dissertatie Technische Universi- teit van Denemarken, 2005. 13 Kim, J.S. en Schlangen, E., Self-Healing in ECC Stimulated by SAP under Flexural Cyclic Load. 3rd International Conference on Self- Healing Materials, Bath, UK, 27-29 June 2011. 13 Processchema niet-lineair liggermodel 13 levensduur verlenging met buigzaam beton 2014