? ? ? betontechnologie ir.E.A.B.Koenders en dr.ir.K. van Breugel, TU Delft, faculteit der Civiele Techniek, sectie Betonconstructies ir.H.Ouwerkerk, NBM-Amstelland Utiliteitsbouw BV, afdeling Technologie & Ontwikkeling De gevoeligheid voor scheurvorming van hoge sterkte beton tijdens de verharding is een veel besproken thema. De reden hiervoor ligt voor de hand. Treedt namelijk scheurvor­ ming op, dan is een deel van de beoogde grotere duurzaamheid door de grotere dichtheid van hoge sterkte beton al weer verdwenen. Door metingen aan een concreet project en door numerieke simulaties is getracht meer kennis van het verhardingsproces te verkrij­ gen. Van de resultaten van dit onderzoek wordt in dit artikel verslag gedaan. KANTOORGEBOUW IN HOGE STERKTE BETON THEORIE EN PRAKTIJK VAN TEMPERATUUR- EN KRIMPEFFECTEN IN DE VROEGE FASE VAN DE VERHARDING 44 Deontwikkelingvan nieuwe materialen staat de laatste jaren volop in de belangstelling. In de bouw is het vooral de ontwikkeling en toe­ passing van hoge sterkte beton (HSB) die veel aandacht heeft gekregen. Metname in de Verenigde Staten en in Japan zou al veel in HSB zijn gebouwd. Dat is ook zo, al moet wel de indruk worden weggenomen als zou HSB het traditionele beton al grotendeels uit de markt hebben weggedrukt. Veel van wat we horen en lezen over toepassingen in Noord Amerika heeft betrekking op slechts een be­ perkt aantal projecten [1, 2]. Van belang is vooral de constatering, dat HSB op dit mo­ ment niet in de eerste plaats wordt toege­ past vanwege de hoge eindsterkte, maar vooral door andere eigenschappen als hoge aanvangssterkte, goede verwerkbaarheid en grotere duurzaamheid. Het duurzaam­ heidsaspectspeeltvooral in Canada een be­ langrijke rol bij het realiseren van duurzame infrastructurele projecten. afkoeling van een constructie-element kan de combinatie van temperatuur- en krimp­ vervormingen aanleiding geven tot aanzien­ lijke verkortingen en, bij verhindering hier­ van, tot scheurvorming. Om meer greep te krijgen op het verhardings­ gedrag en de kans op scheurvorming van HSB, is voor een concreet project een uitge­ breid meetprogramma opgezet: de nieuw­ bouw van het kantoor van Albouw-BBM in Breda. Voor een uitvoerige introductievan dit project wordt verwezen naar [3]. Behalve metingen zijn tevens numerieke simulaties van het verhardingsgedrag uitgevoerd. De metingen zijn uitgevoerd door MEBIN-ATA, terwijl de simulaties zijn verricht door de TU Delft. De simulaties betroffen de ontwikke­ lingvan temperatuur, sterkte, spanningen en de kans op scheurvorming. Beschrijving van gebouwen elementen Het eerste gebouw in hoge sterkte beton in Nederland is het kantoor van Albouw-BBM in De hoge duurzaamheid ontleent HSB aan Breda. Het kantoor, met een kruisvormige zijn grote dichtheid. Deze wordt gerealiseerd plattegrond (fig. 1), heeft vier bouwlagen door het toepassen van een hoog cement- met een verdiepingshoogte van 3,5 m en gehalte van 450 à 500 kg/m 3 , eventueel het een vloeroppervlak van circa 3000 m2 ? toevoegen van silicafume en een lage water- Het gebouw is gefundeerd op palen, waar­ cementfactor. Het hoge cementgehalte over randbalken en verzwaarde vloerstroken geeftaanleidingtoteen zeersnelletempera-zijn gestort, die te zamen deel uitmaken van tuurstijging tijdens de verharding. Naast een de begane grondvloer. De draagconstructie snelle temperatuurstijging en bijbehorende bestaat uit dragende gevels, kolommen en volumeverandering is HSB ook gekenmerkt ribbenvloeren. De stabiliteit wordt ontleend door een relatief grote verhardingskrimp. Bij aan de gevels. CEMENT1995/7/8 Q) Plattegrond kantoorgebouw met een viertal geanalyseerde details a. kolom b. verzwaarde vloerstrook c. ribben vloer d. wand-vloer detail Alle constructieonderdelen zijn ter plaatse gestort. Om deze reden verdient het verhar­ dingsaspect bijzondere aandacht. Gevoelig voor scheurvorming zijn de aansluiting van jong aan oud beton en de plaatsen waar gro­ te doorsnedeverschillen aanwezig zijn. Voor een viertal qua vorm sterk verschillende con­ structiedetails zijn het verhardingsgedragen de kans op scheurvorming geanalyseerd, te A sb; 3 B B b. a. A water-bindmiddelfactor (w/b) bedraagt 0,3. Voor de samenstelling wordt verwezen naar tabel 1. Ten behoeve van de numerieke ana­ lyse van de verschillende constructiedetails moet de ontwikkeling van de materiaalei­ genschappen bekend zijn. Hierover is uitvoe­ rig bericht in [4]. In het volgende een korte samenvatting hiervan. A w, __ ,~·-tB 5 / I A d. A Verhardingskrimp De gemeten verhardingskrimp van het mengsel is weergegeven in figuur 3 als func­ tie van de hydratatiegraad. De hydratatie­ graad Hg(t) is de verhouding tussen de ont­ wikkelde hydratatiewarmte op tijdstip ten de potentiële maximale warmteontwikkeling bij volledige hydratatie van al het cement. De krimpvervorming is gemeten aan een beton­ prisma dat bij een nagenoeg constante tem­ peratuur van circa 20°C is verhard. Zoals blijkt uit figuur 3 bestaat er een vrijwel lineair weten voor een kolom, een lokaal verzwaar- Adiabatische temperatuurontwikkeling verband tussen de verhardingskrimp en de de vloerstrook, een ribbenvloer en een De adiabatische temperatuurontwikkeling hydratatiegraad. De krimpvervormingen zijn wand-vloer detail (fig. 1). van het mengsel is weergegeven in figuur 2. ook aanzienlijk en over het gemeten traject Mengselgegevens en materiaaleigen­ schappen In deze figuur zijn zowel de gemeten adia­ baat als de met het programma HYMO­ STRUC [5] gesimuleerde adiabaat weerge- overschrijden ze de breukrek van verhard be­ ton. In de zeer vroege fase van deverharding, tot Hg '" 0,2, zal de krimpvervorming nauwe- Het kantoor is gebouwd in 8 95. Er is gebruik geven. De gesimuleerde curve wordt als in- lijks spanningen van betekenis opleveren. gemaakt van portlandcement 52,5 R, waar- voer gebruikt voor de temperatuurbereke- Zodra zich· echter een aanzienlijke stijfheid aan 50 kg/m 3 silica-slurry is toegevoegd. De ningen. heeft opgebouwd zal, bij verhinderde vervor- Tabel 1 Mengselsamenstelling hoge sterkte beton liIeng$elcornponent hQeveelheid portlándcement 52,5 R 475 kg/m 3 silica-slurry 50 kg/rn 3 zand 0-4 46% portier 4-16 Water diverse hulpstoffen 54% 125 kg/rn 3 3,.85% opmerking ENCI Cugla(50/50) Opmerking: De silicafurne is in slurry-vorm toegevoegd. De 50 .kg/rn 3 van dit mengsel bestaat dan ook voor de helft uit water. Dit leidt tot een water-(cernent+slltca1ume.) factor lIanQ,3; CEMENT1995/7/8 ming, terdege met de verhardingskrimp re­ kening moeten worden gehouden. Sterkteontwikkeling Figuur 4 geeft het verloop van de gemeten druksterkte f'b weer als functie van de hydra­ tatiegraad. De treksterkte fb , weergegeven in figuur 5, is berekend volgens de treksterkte­ formule uit de Noorse code NS3473: Uit Noors onderzoek is gebleken, dat deze formule voor hoge sterkte beton goede re­ sultaten oplevert. 45 ? ? ? betontechnologie (j' 80 2.... ", -0.25 'Q' *" .. :l :l ... I!! Cl) a. 60 E {!!. 40 ~ .! I 4 Adiabatische hydratatie curve Hoge ster1 fb(t) } bende op een zeker spanningsincre- ment ~a( 'i); waarin fb(t) de trekstrekte beschrijft op een ling is uitgegaan van de inputparameters C.q. randvoorwaarden, zoals weergegeven in ta­ bel 2. Voor drie locaties, aangegeven in fi­ guur 8, is het temperatuurverloop gemeten r is de graad van verhindering van ex- zekertijdstip t en a( t) de spanning in het be- en zijn temperatuurberekeningen uitgevoerd terne vervormingen. ton. Ten behoeve van de kansberekening met TEMPSPAN. Berekende en gemeten De spanningsincrementen ~a( t, T) worden gesuperponeerd als aangegeven in figuur 6. De graad van verhindering van de vervormin­ gen kan variëren tussen ° en 100%, afhan­ kelijk van de geometrie van de constructie en de externe randvoorwaarden. Op de temperatuur-geïnduceerde vervor­ mingen (Sf;a b ) worden de krimpvervormin­ gen gesuperponeerd. Het effect van het wel of niet meenemen van de verhardingskrimp in de spanningsberekening kan worden af- gelezen uit figuur 7. Deze figuur toont de worden zowel de sterkte als de spanning be­ schouwd als grootheden met een normale verdeling, met een standaardafwijking van 0,5 N/mm2 en 0,6 N/mm 2 voor de sterkte, respectievelijk de spanning. Vergelijking metingen en berekeningen kolom Het eerste detail waarvoor het verhardings- gedrag is geanalyseerd is een prismatische kolom met een doorsnede van 0,3 x 0,3 m2 temperaturen zijn weergegeven in de figuren 9 en 10. Bij het berekenen van de tempera­ tuurcurven van figuur 9 is rekening gehou­ den met het effect van zonnestraling. In figuur 10 is dit effect niet beschouwd. In deze laatste figuur is duidelijk te zien, dat het verwaarlozen van de extra warmte-in­ breng door zonnestraling leidt tot een slech­ te benadering van het werkelijke tempera- ~ spanningen in het onderste gedeelte van de Tabel 2 verhardende wand die is gestort op een Inputparameters voor de constructiedetails volgens [4J reeds verharde ondergrond (r ~ 100%). Te­ vens is het verloop van de treksterkte aange­ geven. Het blijkt dat in het onderhavige geval het buiten beschouwing laten van de krimp­ vervormingen een onderschatting van de spanningen in locatie 3 oplevert van circa 2 N/mm2. Een onderschattingvan deze orde van grootte kan in voorkomende gevallen juist voldoende zijn om een verkeerde con­ clusie te trekken ten aanzien van de kans op scheurvorming. Scheurvorming treedt op indien de optre­ dende spanningen ten gevolge van tempera- CEMENT1995/7 /8 . parameters mengsel mengseltemperatuur windsnelheid omgevingstemperatuur adiabaat zonnestraling bekistingsfllC1teriaal ontkisten verhardingskrimp gegevens hoge sterke beton kolom 23'C ribl:)envloer 29°C 2,6m/s kolom 18°C ribbenvlder 18°C - - hout À = 0,17 W/m 2K n819 uur - '. . opmerking volgens tabet.l ± 0,5m/s variabel 17-21·C zie figuur 2 volgens waarnemingen gemiddeld z!efiguür 3 .. 47 ? ? I... 300mm .1 A i1 2 3 300mm B - - - - -, -. --eB ? betontechnologie ven in figuur lla. De beschouwde span­ ningsrichting is aangegeven in figuur l1b. Omdat vervormingen van de kolom in axiale richting niet worden verhinderd, zullen uit­ sluitend eigen-spanningen worden ontwik­ keld. Deze spanningen blijven ruim onder de meetpunten is schematisch weergegeven in figuur 12. De verdiepingsvloeren zijn in vier delen gestort, te weten: de linkervleugel, de rechtervleugel, de achtervleugel en ten slot­ te het middengedeelte (zie fig. 1). 1751551 20 treksterkte. De spanningsvariaties onder in-Temperatuurontwikkeling vloed van zonnestraling blijken voor deze si- De temperatuurontwikkeling in de ribben- A ® Doorsnede kolom met locatie en num­ mering van thermokoppels tuatie verwaarloosbaar te zijn. Gezien de la­ ge spanningen is scheurvorming tijdens het verharden niet te verwachten. Dit bleek in overeenstemming met de praktijkwaarne- mingen. vloer als gevolg van het hydratatieproces is voor de locaties 2, 3, 4 en 5 weergegeven in figuur 13. Door de horizontale stand van de vloerten opzichte van de zon is het effect van zonnestraling hier beperkt. Een geringe in- vloed van extra warmtetoevoer door zonne- Vergelijking metingen en berekeningen straling is waarneembaar na 80 uur verhar- tuurverloop. De maximale temperatuur in de ribbenvloer den. Het waargenomen temperatuurverloop kolom neemt met ongeveer 9 oe toe van circa Het tweede constructiedetail waarvoor het wordt zeer goed benaderd door het bereken- 40 oe zonderzonnestralingtot49 oe met zon- verhardingsgedrag wordt geanalyseerd is de de temperatuurverloop. nestraling. Na het bereiken van de maximale ribbenvloer. Het is een verdiepingsvloer die temperatuur is het periodiek terugkerende aan de uiteinden is opgelegd op de dragen- Spanningsantwikkeling -algemeen opwarmeffect door zonnestraling duidelijk de gevel. De ribbenvloeren overspannen een Bij de analyse van de optredende spannin­ waarneembaar. ruimte van 12,6 m bij een ribafstand van 1,8 gen moet duidelijk onderscheid worden ge- m h.o.h. De dikte van de vloerplaat zelf be- maakt tussen de spanningen in axiale of De berekende spanningen tijdens het ver- draagt 100 mmo Een doorsnede van de rib- x-richting en in de richting loodrecht daarop, harden zijn voorde locaties 1 en 3weergege- benvloer met de locatie van een aantal de y-richting (fig. 14). Dit onderscheid is van 50r-----~--------ïT~----------~----_, Ö - - +-. meting: locatie 1 f;:' --0 -. meting: locatie 3 ,. ::J -+- simulatie, met zon: locatie 1 ë 40 1-~f-c-----\t-7-------------ll--+- simulatie, met zon: locatie 3 ! E {!!. 20~----+-------~~--~--~~---------; 10~----~--------~--------~--------~ 24 48 72 96 tijd [uren] ® Temperatuurverloop in kolom inclusief het effect van zonnestraling @ Spanningsantwikkeling tijdens verhar­ den in kern en buitenschil van de kolom (a) en beschouwde spanningsrichting kolom (b) 48 24 36 50 Ö +-+ +-. meting: locatie 1 2- -0-· .. meting: locatie 3 ,. .El -+- simulatie, geen zon: locatie 1 I! 40 --+- Cl> simulatie, geen zon: locatie 3 C-E t {!!. :."