thema FRP in seismisch belaste betoncontructies8?2008 60 thema FRP in seismisch belaste beton- constructies Intro 1 Toepassingen en ontwikkelingen van koolstofwapening (Fibre Reinforced Polymer) FRP in seismisch belaste betoncontructies 8?2008 61 6000 4000 2000 0 0 0,02 0,04 staal GFRP AFRP CFRP ? [MPa] ? In Nederland wordt uitwendig gelijmde koolstof- vezelwapening in een toenemend aantal gevallen toegepast om betonconstructies achteraf te verster- ken. Relatief onbekend zijn echter de mogelijkheden die uitwendig gelijmde vezelwapening biedt bij het versterken in verband met aardbevingen. Dit terwijl deze methode internationaal wel veel wordt toege- past. Een overzicht van mogelijkheden, aandachts- punten en nieuwe ontwikkelingen. De versterking met koolstofvezelwapening of FRP (Fibre Rein- forced Polymer), kan noodzakelijk zijn bij aanpassingen aan de constructie zoals sparingen en doorvoeren of wanneer de belasting wordt verhoogd. Ook komt het regelmatig voor dat bouwfouten worden verholpen en schades worden gerepareerd. De verschijning van CUR-Aanbeveling 91 'Versterken van gewapend betonconstructies met uitwendig gelijmde koolstof- vezelwapening' in 2002, heeft sterk bijgedragen aan de accepta- tie en toepassing van lijmwapening bij statisch belaste constructies. Hoewel de toepassing van FRP bij statisch belaste constructies veelvuldig wordt toegepast, is een groot deel van het succes van dit materiaal te danken aan de toepassing in seismische gebie- den. Ook in Europa is de belangstelling groot. Met name de recente aardbevingen in Italië, Portugal en Turkije hebben ertoe geleid dat de aandacht voor FRP in seismische toepassin- gen is toegenomen. Groot voordeel van deze toepassing is dat ze relatief eenvoudig is aan te brengen in bestaande constructies. Plus dat de sterkte en ductiliteit van de betonconstructie kan worden verhoogd zonder dat ook de stijfheid significant hoger wordt en hiermee de dynamische respons wijzigt. Er zijn diverse typen FRP te onderscheiden, te weten CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer), GFRP (Glass Fibre Rein- forced Polymer) en AFRP (Aramide Fibre Reinforced Polymer). In statisch belaste constructies heeft CFRP veelal de voorkeur boven GFRP en AFRP. Dit in verband met de relatief hoge elasticiteitsmodulus van CFRP, die circa een factor 2 hoger is dan van GFRP en AFRP en vergelijkbaar is met de elasticiteitsmodulus van staal (fig. 2). Bij het verhogen van de ductiliteit voor seismische redenen kan GFRP en AFRP wel goed worden toegepast. De lagere stijfheid zorgt hier voor een hogere energiedissipatie. Toepassingen FRP FRP kan worden aangebracht in de vorm van lamellen of banden (straps) en koolstofdoek (foto 1). Deze verschijnings- vormen hebben diverse voordelen, afhankelijk van de toepas- sing. FRP wordt toegepast om zes redenen [2]: - Verhogen van de buigcapaciteit door het gebruik van vezels evenwijdig aan de overspanning van de te versterken ligger. - Verhogen van de dwarskrachtcapaciteit door het gebruik van vezels orthogonaal op de overspanning van de te versterken ligger. - Verhogen van de ductiliteit van eindsecties van kolommen en liggers door het omwikkelen (wrapping) van de doorsnede. - Verbeteren van overlappingslassen en stekverbindingen door het omwikkelen van de doorsnede. - Voorkomen van uitknikken van langswapening in kolommen door het omwikkelen van de doorsnede. - Verhogen van de trekcapaciteit van kolom-balkverbindingen of stabiliteitswanden door het toevoegen van vezels evenwij- dig aan de hoofdtrekspanningen in de constructie. Liggerversterkingen Het verhogen van de buigcapaciteit en de dwarskrachtcapaciteit van liggers kan met de gebruikelijke technieken in de vorm van lamellen en/of koolstofdoek worden uitgevoerd. Dimensione- ring kan conform de rekenregels uit CUR-Aanbeveling 91 of fib bulletin 14 'Externally bonded FRP reinforcement for RC structures' plaatsvinden. Kolomversterkingen Bij in Nederland gebruikelijke bouwwijzen zijn kolommen in een betonskelet over het algemeen relatief zwak ten opzichte van de balken. Vooral in geschoorde constructies is dit het geval. Vanuit seismisch oogpunt moeten kolommen echter bij voorkeur sterker zijn dan het balkenrooster. Met andere ing. Mark Verbaten 1 ) ABT Michel van Beek S&P Clever Reinforcement Company bv 1 Met koolstofdoek omwikkelde kolomvoet foto: S&P Clever Reinforcement Company bv 2 Spanning?rekrelatie verschillende vezels [1] 1 ) Mark Verbaten is lid van fib Task Group 5.1 'FRP Reinforcement for Concrete Structures' (voorheen TG9.3). 2 thema FRP in seismisch belaste betoncontructies8?2008 62 3 Met aramide straps voorgespannen kolom foto's: S&P Clever Reinforcement Company bv 4 Spanning?rekrelatie omsloten beton [1] grote verlenging nodig is en invloeden als kruip en tempera- tuurverschillen weinig invloed hebben. Het spanningsloos omwikkelen van kolommen verhoogt vooral de toelaatbare plastische rek en maar weinig de toelaatbare drukspanning. Voorspannen is daarom met name zinvol in situaties waarin de toelaatbare drukspanning in de kolom moet worden verhoogd of wanneer de initiële drukspanning ten gevolge van het eigen gewicht erg hoog is. Verder zijn de straps, anders dan bij de relatief gladde CFRP-toepassingen, eenvoudig in een stalen klemconstructie te verankeren. Desalniettemin is de uitvoering redelijk complex en uitsluitend uitvoerbaar door gespecialiseerde applicateurs. Ook de vorm van de kolom heeft invloed op de effectiviteit. Ronde kolommen zijn beter te versterken dan rechthoekige kolommen. Dit is het gevolg van boogwerking in de doorsnede die ontstaat tussen de uitwendige hoeken van rechthoekige kolommen. De uitwendige hoeken moeten worden afgerond om insnoering van het vezeldoek te voorkomen en het effect van boogwerking te verminderen. woorden: de mogelijke vorming van plastische scharnieren moet in de liggers ontstaan. De in de literatuur beschikbare oplossingen met FRP richten zich daarom met name op het versterken van kolommen en kolom-balkverbindingen. Opsluiting Door het omwikkelen van de kolomdoorsnede met FRP vezel- doek ontstaat opsluiting (confinement) van het beton. Door de radiale drukspanning ontwikkelt zich een drie-assige span- ningstoestand en hiermee fictief een hogere betondruksterkte. Deze drukspanning is afhankelijk van de hoeveelheid en de stijfheid van het toegepaste vezeldoek en heeft feitelijk dezelfde functie als beugels in een kolom. Door het toepassen van voorgespannen vezels kan de radiale drukspanning verder worden opgevoerd en daarmee de sterkte en ductiliteit. Deze voorspanwapening wordt voornamelijk uitgevoerd in de vorm van aramide banden (straps in AFRP, foto 3). Dit juist vanwege de relatief lage elasticiteitsmodulus, omdat dan ook bij relatief kleine kolomdiameters een relatief 3 FRP in seismisch belaste betoncontructies 8?2008 63 Door de hogere fictieve betondruksterkte kan de toelaatbare dwarskracht worden verhoogd. Met het gunstige plastische gedrag kunnen de rotatiecapaciteiten van kolomkop en kolom- voet sterk worden verbeterd (fig. 4). Berekening Door het niet-lineaire verloop van het rek-spanningsdiagram van omsloten beton, is de toepassing alleen zinvol als een niet- lineaire pushover-analyse wordt uitgevoerd (meer over de pushover-analyse elders in dit nummer, onder meer in artikel 'Woningen onder aardbevingsbelasting'). Bruikbare ontwerpfor- mules voor omsloten beton, specifiek gericht op seismische toepassingen, zijn te vinden in de Italiaanse richtlijn CNR-DT 200/2004 'Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures' [2]. Deze is ook in het Engels beschikbaar. Naast de Italiaanse richt- lijn is er ook een ACI-richtlijn [3] beschikbaar. Meer praktische informatie is beschikbaar in [4]. In tekstkader 'Voorbeeldbereke- ning maximaal toelaatbare rek bij omwikkelde kolom' is een voorbeeldberekening weergegeven van een standaard kolom 300 x 300 mm 2 , die is omwikkeld met twee lagen koolstofdoek. Op basis van het voorbeeld wordt duidelijk dat vooral de toelaat- bare plastische betondrukrek fors kan worden verhoogd en hiermee dus zeer geschikt is om de rotatiecapaciteit te verhogen. Beugels Uit ervaring blijkt dat stekverbindingen en overlappingslassen veelal onvoldoende met beugels zijn omsloten. Een te grote beugelafstand kan daarnaast zorgen voor het uitknikken van de verticale kolomwapening (foto 5). Het voorkomen van schade gerelateerd aan een tekort aan beugels kan door het omsluiten van de doorsnede worden voorkomen. Bij uitwendig gelijmde lamellen is vooral de hechtsterkte van het betonoppervlak van belang. Deze wordt dan ook bij elke toepassing in het werk gecontroleerd door middel van hechtsterkteproeven. Bij kolomomsluitingen is de Voorbeeldberekening maximaal toelaatbare rek bij omwikkelde kolom Maximaal toelaatbare rek bij omwikkelde kolom conform CNR-DT 200/2004, art.: 4.5.3 Ductility of FRP-confined members under combined bending and axial load: Formule 1 1,ef ccu cd 0,0035 0,015 f f = + Formule 2 '2 H '2 g 3? 1k bd A + = Formule 3 1 fd,rid 1 2 f f E= Formule 4 f2 f bd t bd + = Formule 5 f fd,rid a f f 0,6= Formule 6 fd,rid 17 0,95 0,617 1,1 = f Formules kader Voorbeeldberekeningen_1_6.pdf 1 12-02-15 11:18 (4.52) f 1,eff = k eff · f 1  (4.42) k eff = k H · k v · k ?  (4.44) Formule 1 1,ef ccu cd 0,0035 0,015 f f = + Formule 2 '2 H '2 g3? 1k bd A + = Formule 3 1 fd,rid 1 2 f f E= Formule 4 f2 f bd t bd + = Formule 5 f fd,rid a f f 0,6= Formule 6 fd,rid 17 0,95 0,617 1,1 = f Formules kader Voorbeeldberekeningen_1_6.pdf 1 12-02-15 11:18 (4.51) k v = 1 (continue ontwikkeling) (4.45) k ? = 1 (niet spiraalvormig) (4.46) Formule 1 1,ef ccu cd 0,0035 0,015 f f = + Formule 2 '2 H '2 g 3? 1k bd A + = Formule 3 1 fd,rid 1 2 f f E= Formule 4 f2 f bd t bd + = Formule 5 f fd,rid a f f 0,6= Formule 6 fd,rid 17 0,95 0,617 1,1 = f Formules kader Voorbeeldberekeningen_1_6.pdf 1 12-02-15 11:18 (4.43) Formule 1 1,ef ccu cd 0,0035 0,015 f f = + Formule 2 '2 H '2 g 3? 1k bd A + = Formule 3 1 fd,rid 1 2 f f E= Formule 4 f2 f bd t bd + = Formule 5 f fd,rid a f f 0,6= Formule 6 fd,rid 17 0,95 0,617 1,1 = f Formules kader Voorbeeldberekeningen_1_6.pdf 1 12-02-15 11:18 (4.50) Formule 1 1,ef ccu cd 0,0035 0,015 f f = + Formule 2 '2 H '2 g 3? 1k bd A + = Formule 3 1 fd,rid 1 2 f f E= Formule 4 f2 f bd t bd + = Formule 5 f fd,rid a f f 0,6= Formule 6 fd,rid 17 0,95 0,617 1,1 = f Formules kader Voorbeeldberekeningen_1_6.pdf 1 12-02-15 11:18 (4.53) Ingevuld: ? a = 0,95 (1) ; ? fk = 17? (2) ; ? f = 1,1 Formule 1 1,ef ccu cd 0,0035 0,015 f f = + Formule 2 '2 H '2 g 3? 1k bd A + = Formule 3 1 fd,rid 1 2 f f E= Formule 4 f2 f bd t bd + = Formule 5 f fd,rid a f f 0,6= Formule 6 fd,rid 17 0,95 0,617 1,1 = f Formules kader Voorbeeldberekeningen_1_6.pdf 1 12-02-15 11:18 ? fd,rid = 10,20? t f = 2 ? 0,234 = 0,468 mm; b = 300 mm; d = 300 mm Formule 7 300300 20,468 300300 f + = Formule 8 33 1 1 6,241020000010,2010 2 f= Formule 9 22 dcdcg c 30 90 000mm;C30/37, , 25 N/mm 1,2 ck f ffA ==== Formule 10 2 2 H 200 200 1 390000 k + = Formule 11 ccu 4,46 0,0035 0,015 25 = + Formule 12 2 3 1, ccd cd 12,6 ef cdf f f = + f Formules kader Voorbeeldberekeningen_7_12.pdf 1 12-02-15 12:28 ? f = 6,24 ? 10 -3 E f = 240 000 N/mm 2 , ? fE = 1,2 (2) , E fd = 200 000 N/mm 2 Formule 7 300300 20,468 300300 f + = Formule 8 33 11 6,241020000010,20102 f= Formule 9 22 dcdcg c 30 90 000mm;C30/37, , 25 N/mm 1,2 ck f ffA ==== Formule 10 2 2 H 200 200 1 390000 k + = Formule 11 ccu 4,46 0,0035 0,015 25 = + Formule 12 2 3 1, ccd cd 12,6 ef cdf f f = + f Formules kader Voorbeeldberekeningen_7_12.pdf 1 12-02-15 12:28 f 1 = 6,36 N/mm 2 b' = b - 2 ? r c = 300 - 2 ? 50 = 200 mm; d' = d - 2 ? r c = 300 - 2 ? 50 = 200 mm; Formule 7 300300 20,468 300300 f + = Formule 8 33 1 1 6,241020000010,2010 2 f= Formule 9 22 dcdcg c 30 90 000mm;C30/37, , 25 N/mm 1,2 ck f ffA ==== Formule 10 2 2 H 200 200 1 390000 k + = Formule 11 ccu 4,46 0,0035 0,015 25 = + Formule 12 2 3 1, ccd cd 12,6 ef cdf f f = + f Formules kader Voorbeeldberekeningen_7_12.pdf 1 12-02-15 12:28 Formule 7 300300 20,468 300300 f + = Formule 8 33 1 1 6,241020000010,2010 2 f= Formule 9 22 dcdcg c 30 90 000mm;C30/37, , 25 N/mm 1,2 ck f ffA ==== Formule 10 2 2 H 200 200 1 390000 k + = Formule 11 ccu 4,46 0,0035 0,015 25 = + Formule 12 2 3 1, ccd cd 12,6 ef cdf f f = + f Formules kader Voorbeeldberekeningen_7_12.pdf 1 12-02-15 12:28 k H = 0,70 k eff = 0,70 f 1,eff = 0,70 ? 6,36 f 1,eff = 4,46 N/mm 2 Formule 7 300300 20,468 300300 f + = Formule 8 33 1 1 6,241020000010,2010 2 f= Formule 9 22 dcdcg c 30 90 000mm;C30/37, , 25 N/mm 1,2 ck f ffA ==== Formule 10 2 2 H 200 200 1 390000 k + = Formule 11 ccu 4,46 0,0035 0,015 25 = + Formule 12 2 3 1, ccd cd 12,6 ef cdf f f = + f Formules kader Voorbeeldberekeningen_7_12.pdf 1 12-02-15 12:28 ? ccu = 9,836 ? 10 -3 Toelaatbare drukspanning na omwikkelen: Formule 7 300300 20,468 300300 f + = Formule 8 33 1 1 6,241020000010,2010 2 f= Formule 9 22 dcdcg c 30 90 000mm;C30/37, , 25 N/mm 1,2 ck f ffA ==== Formule 10 2 2 H 200 200 1 390000 k + = Formule 11 ccu 4,46 0,0035 0,015 25 = + Formule 12 2 3 1, ccd cd 12,6 ef cdf f f = + f Formules kader Voorbeeldberekeningen_7_12.pdf 1 12-02-15 12:28  (4.41) f ccd = 45,60 N/mm 2 (1) = Environmental conversion factor, internal exposure, Table 3-4; (2) = conform opgave leverancier ? ccu ? cu ? co f cd f ccd  = ? ccud niet omsloten beton (? ccu  , ? ccud )  (? ccu  , f ccd )  verhoging ? ?ud 4 300 300 C30/37 r c = 50 S&P C-Sheet 240 2 lagen; 400 gr/m 2 2,00 3,50 9,836 45,60 ? N/mm 2 ? c ? thema FRP in seismisch belaste betoncontructies8?2008 64 5 Stekverbinding met te grote beugelafstanden foto: National Information Service for Earthquake Engineering, PEER-NISEE, University of California, Berkeley 6 NSM, applicatie inkeeplamellen foto: Balm Uitwendige Wapening 7 TRM, applicatie koolstofgrid in spuitbeton foto: Vogel BV 8 Principe gradiëntverankering voorgespannen lammelen [6] Wandversterkingen Ook betonwanden die al dan niet als stabiliteitselement worden gebruikt, kunnen met FRP worden versterkt. Vanwege de geringe verankeringslengte is de meest voor de hand liggende oplossing het toepassen van koolstofdoek, maar lamellen worden ook wel gebruikt. Bij belasting 'uit het vlak' kan de benodigde FRP worden gedimensioneerd aan de hand van CUR-Aanbeveling 91 of fib bulletin 14. Aandachtspunt hierbij is de benodigde verankering van de FRP in de aansluitende constructiedelen. Bij belasting in het vlak kan de sterkte van de wand worden verhoogd door het toepassen van FRP, conform het van toepassing zijnde vakwerkmodel. Ontwikkelingen FRP Op het gebied van FRP vinden veel ontwikkelingen plaats. Hieronder de belangrijkste. NSM (Near Surface Mounted): inkeeplamellen of staven In de dekking van de betonconstructie worden zaagsneden aangebracht of sleuven gefreesd. Hierin worden smalle lamel- len of staven gelijmd met een epoxyhars (foto 6). Door het rela- tief grote hechtoppervlak en het opsluiteffect van de sleufwan- den, treedt onthechting pas op bij een hogere rek van de FRP. De versterking kan daarmee dus efficiënter worden uitgevoerd dan bij de meer gebruikelijke, uitwendig gelijmde FRP. De betonhechtsterkte van het oppervlak bepaalt in hoeverre de hechting tussen FRP en beton veel minder van belang, zolang de over- laplengte voldoende groot is. Het omwikkelen van kolommen zonder lijm- verbinding met het beton is bij verschillende Europese onderzoeksinstel- lingen in onderzoek. 5 6 FRP in seismisch belaste betoncontructies 8?2008 65 maximale rek in de lamellen kan worden opgevoerd. Ontwerp- regels zijn reeds voorhanden in [3]. TRM (Textile Reinforced Mortar): textielgewapend spuitbeton TRM kenmerkt zich door flexibele netten of grids van koolstof- vezel of glasvezel. Anders dan bij gelijmde toepassingen, wordt de aanhechting met het te versterken constructiedeel verzorgd door een fijnkorrelig spuitbeton (foto 7). Door de afwezigheid van epoxy is de brandwerendheid van de versterking veel hoger. De uitvoering is echter arbeidsintensiever dan bij uitwendig gelijmde wapening. De toepassing is met name geschikt voor betonconstructies met een initieel te lage dekking, waarbij de duurzaamheid en de brandwerendheid niet voldoen. Schadelocaties hoeven niet apart te worden aangeheeld, maar kunnen direct met het spuiten worden meegenomen. De eerste toepassing is in Nederland in 2012 uitgevoerd onder de naam ARMO. Meer hierover staat in het Cement-artikel 'Kool- stofwapening in spuitbeton' [5]. Het versterken van vloeren, wanden en kolommen is met TRM goed mogelijk. Voor het versterken van balken op buiging en dwarskracht is TRM minder geschikt, in verband met de benodigde aanhechtlengte. Ontwerpregels op normniveau zijn nog niet voorhanden. Gradiëntverankering voorgespannen lamellen De huidige systemen van voorgespannen FRP-lamellen of -staven zijn voorzien van mechanische verankeringen. Deze bestaan veelal uit klemschoenen die worden ingelaten in de 7 8 thema FRP in seismisch belaste betoncontructies8?2008 66 9 URM, versterking van metselwerk met CFRP-lamellen en doek foto: S&P Clever Reinforcement Company bv plaats vanuit het middendeel van de lamel met als laatste stap het lameluiteinde. Op deze wijze is het mogelijk om zonder mecha- nische verankeringen de lamel te belasten tot de breukrek van CFRP, zonder dat onthechting optreedt. Voor het plaatsen van de benodigde voorspanvijzels zijn nog wel spreidankers nodig. Het systeem bevindt zich nog in de onderzoeksfase. URM (UnReinforced Masonry): versterken van metselwerk In Italië, Portugal en Turkije zijn bij recente aardbevingen veel metselwerkwoningen beschadigd. In deze landen wordt dan ook uitvoerig onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om met lamellen, koolstofdoek en grids metselwerk te versterken. In ACI 440.7R-10 [7] worden praktische richtlijnen ten aanzien van detaillering gegeven en worden ontwerpmethoden aange- dragen die ook in de Nederlandse situatie goed bruikbaar zijn. Foto 9 laat een toepassing zien waarbij een kopgevel van een appartementengebouw is versterkt met koolstofdoek en lamel- len. Het koolstofdoek is met een dampdoorlatende epoxyhars verlijmd om voortijdige delaminatie ten gevolge van vorst te voorkomen. De lamellen zijn met ankerplaten bevestigd aan de betonnen vloeren. Vezelwapening in Nederland De applicatie van de verschillende vormen vezelwapening blijft een specialistische toepassing. In Nederland zijn echter voldoende betonreparatiebedrijven aanwezig die met kennis en ervaring vezelwapening aanbrengen. De toepassing van vezel- wapening bij seismisch belaste betonconstructies wordt inter- nationaal veel ingezet. Door gebruik te maken van die interna- tionale kennis, kan vezelwapening ook in Nederland een inte- ressante aanvulling zijn in het palet van mogelijke versterkings- maatregelen.? ? ? LITERATUUR 1 fib Bulletin 35, Retrofitting of concrete structures by externally bonded FRPs with emphasis on seismic applications, april 2006. 2 CNR-DT 200/2004, Guide for the Design and Construction of Exter- nally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures. 3 ACI 440.2R-08, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures. 4 FEMA 547/2006 Edition, Techniques for the Seismic Rehabilitation of Existing Buildings. 5 Verbaten, M., Koolstofwapening in spuitbeton. Cement 2012/8. 6 Czaderski, C., et al, Structural Strengthening with Prestressed CFRP Strips with Gradient Anchorage. Journal of composites for construction, 2013/17, pp. 651-661. 7 ACI 440.7R-10, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded Fiber-Reinforced Polymer Systems for Strengthening Unrein- forced Masonry Structures. betondekking en met spreidankers worden vastgezet, om de voorspankracht over te brengen naar het constructiedeel en voortijdige onthechting te voorkomen. Gradiëntverankering is gebaseerd op de eigenschap van epoxyhars, dat sneller uithardt bij hogere temperaturen (zie [6] voor een beschrijving van het systeem en figuur 8 voor een schematische weergave van het proces). De lamellen worden voorzien van lijm en stapsgewijs op voorspanning gebracht. Na elke stap wordt een deel van beide lameleinden verwarmd. De gecontroleerde verharding vindt 9