Koolstofwapening in spuitbeton8?2 01242 Koolstof- wapening in spuitbeton Bij de renovatie van een drukbezochte supermarkt in Hilversum bleek de draagkracht van de begane- grondvloer lager te zijn dan de normbelasting (minimaal 4 kN/m 2 voor een winkelruimte). Omdat de ruimte onder deze vloer de functie heeft van parkeerkelder, was het tevens noodzakelijk de brandwerendheid van de grondvloer te verhogen. De oplossing is gevonden in een nieuw, in Nederland nog niet eerder toegepast wapeningssysteem: ARMO. 1 Nieuw 'ARMO-systeem' toegepast bij versterking vloer in supermarkt Koolstofwapening in spuitbeton 8?2 012 43 F A B C D E F F F F 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 0 20 40 60 80 100120140160180200220 doorbuiging ? [mm] belasting q tot [kN] vloeien van de traditionele wapening 2 lagen ARMO 1 laag ARMO ontlastingstak referentiebalk zonder ARMO bezwijken proefstuk Als versterkingsmaatregel voor de beganegrondvloer werd in eerste instantie een gebruikelijke oplossing voorgesteld met koolstoflamellen (CFRP, carbon-fiber-reinforced polymer), verlijmd aan de onderzijde van de vloer. Het versterken van de vloer aan de bovenzijde met een gewapende druklaag bleek niet mogelijk, omdat daarmee de winkel te lang gesloten zou moeten blijven. In verband met de geëiste brandwerendheid zou het noodzake- lijk zijn om de koolstoflamellen te beschermen met brand­ werende bekleding. Vanwege de hoge kosten die hieraan zijn verbonden, is gekeken naar een nieuwe techniek: het versterken met behulp van een koolstofnet, ingebed in spuitbeton, volgens het 'ARMO-systeem' van de firma S&P Clever Reinforcement. ARMO-systeem Het ARMO-systeem bestaat uit een grid van glasvezel- en kool- stofvezelstrengen. Soortgelijke grids worden in de wegenbouw al langer gebruikt bij de versterking van asfaltlagen. Bij dit systeem wordt het grid in het nog natte spuitbeton aangebracht zonder toevoeging van een epoxyhechtmiddel. De totale laag- dikte komt uit op ongeveer twee tot drie centimeter. Epoxylijm, zoals toegepast bij normaal verlijmde lamellen, zal bij circa 70 °C de glas-rubberovergangstemperatuur ? ook wel de glastransitietemperatuur genoemd ? bereiken. Hierbij treden een drastische afname van de stijfheid en capaciteit op. In veel gevallen is daarom een brandwerende bescherming noodzakelijk. Door het ontbreken van de epoxylijm hoeft het ARMO-systeem niet apart te worden beschermd en zorgt de extra dekking op de oorspronkelijke stalen wapening voor een verhoging van de brandwerendheid van de gehele constructie. Om een goede indicatie van de draagkracht na versterken te krijgen, zijn proeven uitgevoerd aan de Hochschule für Technik und Architektur, Fribourg (Zwitserland) [1]. Met behulp van het eindige-elementenprogramma DIANA zijn vervolgens de proeven nagerekend en toegepast op berekenin- gen voor de te versterken beganegrondvloer. Proeven Fribourg Op de universiteit in Fribourg zijn drie vloerplaten tot aan bezwijken belast. De proeven zijn met een vervormings­ gestuurde zespuntsbuigproef uitgevoerd (foto 2). De beton­ platen zijn uitgevoerd in een overspanning van 6 m met een dikte van 220 mm en een breedte van 850 mm. De traditionele wapening van de vloerplaten bestond uit zes staven Ø12 mm. Plaat A is beproefd zonder versterking, plaat B is versterkt met een enkele laag ARMO-wapening (L500, 117 mm 2 /m), ingebed in een 15 mm dikke spuitbetonlaag. Plaat C is versterkt met een dubbele laag ARMO-wapening (2 x L500, 234 mm 2 /m) in een 20 mm dikke spuitbetonlaag. Last-zakkingsdiagram Bij de proeven zijn de optredende krachten en vervormingen nauwkeurig vastgelegd. In figuur 3 staan de last-zakkings­ diagrammen. Uit de proeven is gebleken dat de ARMO-wapening een duide- lijke verhoging van de draagkracht geeft. Verder bleek dat er voldoende ductiel gedrag aanwezig is, anders dan bij uitwendig gelijmde lamellen, waar het bezwijken zeer plotseling optreedt. Op basis van de last-zakkingsdiagrammen blijkt dat de stijfheid van de vloer afneemt op het moment dat de traditionele wape- ning begint te vloeien. Er moet dus worden gecontroleerd of de representatieve belasting op de vloer (exclusief de veiligheids- factoren) leidt tot het vloeien van de traditionele wapening. Indien dit het geval is, zullen de doorbuiging en de mate van scheurvorming zeer waarschijnlijk niet meer acceptabel zijn. 3 2b 2a ing. Mark Verbaten ABT bv 1 Aanbrengen ARMO-wapening in de spuitbetonmortel 2 Proefopstelling zespuntsbuigproef 3 Last-zakkingsdiagram van de proeven Koolstofwapening in spuitbeton8?2 01244 0 2 4 aanhechtspanning [N/mm 2 ] 6 8 10 12 14 16 18 20 bondslip wapening bondslip ARMO-mesh 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 verplaatsing [mm] invoerparameters DIANA 5 4a 4b 4 Bezwijken van de drukzone 5 Slipgedrag van de wapening relatief lage stijfheid van de met ARMO-wapening versterkte constructie zal bij ontwerpdoeleinden de hoogte van de beton- drukzone (k x;max ) moeten worden gereduceerd. Op basis van de proefresultaten lijkt een k x;max tussen de 0,15 en 0,20 maximaal toelaatbaar. Waarschuwend vermogen en onthechting Vanwege de relatief lage stijfheid van de versterkte constructie is het waarschuwend vermogen hoog. Conform de methode zoals deze in CUR-Aanbeveling 91, artikel 8.1.3 [3] is beschre- ven, wordt bij de onderzochte proefstukken een k u /k e bereikt van circa 3,1 à 3,2. Onthechting van de spuitbetonlaag is niet waargenomen. Anders dan bij opgelijmde koolstoflamellen is de optredende schuifspanning lager doordat het gehele vloeroppervlak wordt aangesproken. Naar verwachting zal dit geen maatgevend bezwijkmechanisme geven. Resultaten eindige-elementenberekening Op basis van de proefresultaten, uitgevoerd in Fribourg, is een eindige-elementenmodel gemaakt. Hierbij is geprobeerd het gedrag van de versterkte vloerplaten na te bootsen, zodat de gevonden parameters kunnen worden toegepast bij de verster- king van de supermarkt in Hilversum. De resultaten van de proefbelasting zijn verwerkt in een 2D-eindige-elementenmodel, waarbij de aanhechting en het slipgedrag van het koolstofgrid zijn gemodelleerd. Hierbij zijn de wapeningsstaven en de aanwezige ARMO-koolstofvezels Aanhechting Ondanks de relatief hoge treksterkte (4300 N/mm 2 ) van de toegepaste ARMO-wapening, blijkt dat de capaciteit van het versterkte constructieonderdeel wordt bepaald door de mate van aanhechting aan het beton. Dit is ook bij de toepassing van de gebruikelijke uitwendig gelijmde koolstoflamellen het geval. Hierbij wordt de treksterkte van de lamel maar voor een klein deel gebruikt omdat in de meeste gevallen onthechting optreedt van de lijmlaag op het beton. Door de relatief grote veranke- ringslengte blijkt de stijfheid van de vloerplaten, na scheuren, laag te zijn. Hiermee kan het bezwijken van de drukzone dus sneller plaatsvinden. Rotatiecapaciteit Het bezwijken van de beide met ARMO versterkte vloerplaten werd geïnitieerd door het ontstaan van een horizontale scheur net onder de drukzone en het verbrijzelen van de drukzone (foto 4). De ARMO-wapening zelf is, ondanks het ontstaan van een vrij wijde scheurvorming, niet bezweken. Op basis van de uitgevoerde proeven is geconcludeerd dat deze vloerplaten zijn bezweken door onvoldoende rotatiecapaciteit van de door- snede. Bij het toepassen van circa 40% extra traditionele ­wapening zou immers een overeenkomstige draagkracht zijn gevonden, maar zou een veel stijver gedrag van de constructie het bezwijken van de wapening op trek, in plaats van beton op druk, aannemelijker maken. Het specifiek voor ARMO maatgevende bezwijkmechanisme van de rotatiecapaciteit wordt veroorzaakt door de relatief geringe aanhechting van het koolstofgrid aan het beton ten opzichte van bijvoorbeeld traditionele stalen wapening. De rotatiecapaciteit is door het ontbreken van dwarskracht­ wapening sterk afhankelijk van de treksterkte van het beton en de verhouding tussen de optredende dwarskracht en het ­optredende moment in de betreffende doorsnede. Vanwege de Koolstofwapening in spuitbeton 8?2 012 45 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 0 20 40 60 80 100120140160180200220 doorbuiging ? [mm] belasting q tot [kN] 2 lagen ARMO 1 laag ARMO referentiebalk zonder ARMO = uitvoerparameters DIANA = testresultaten 6 7 6 Scheurvorming proef en rekenmodel gecombineerd 7 Last-zakkingsdiagram proeven en rekenmodel gecombineerd goede en economische aanvulling op de al bestaande mogelijk- heden tot versterking. De toepassing van het ARMO-systeem bij de vloer van de supermarkt was dan ook een succes. Ten aanzien van het voor dit systeem typische bezwijken van de betondrukzone is wel aanvullend onderzoek nodig om goede ontwerpparameters te verkrijgen. Behoudends het versterken van vloeren zijn er ook mogelijk­ heden voor het versterken van metselwerkwanden en het herstel van betonwanden in een agressief milieu zoals bijvoor- beeld rioolwaterzuiveringen. ? gemodelleerd als fysieke staven in het beton met interface- elementen tussen de staven en het beton. Er zijn ten aanzien van de aanhechting van het koolstofgrid aan het beton geen aanvullende proeven uitgevoerd. Het slipgedrag is daarom geschat en afgestemd op de proefresultaten. In figuur 5 is een indicatie weergegeven van de verschillen in aanhechting (bondslip) tussen het koolstofnet en de traditionele wapening. Het blijkt dat het scheurgedrag van de vloerplaten goed is na te bootsen. Zowel voor als na het vloeien van de traditionele wapening komt de afname van de stijfheid overeen met de proefresultaten in Fribourg (fig. 6 en 7). Uitvoering supermarktvloer De versterking van de supermarktvloer is uitgevoerd door de firma Vogel BV te Zwijndrecht. Ter voorbereiding op de werke- lijke uitvoering is op de werf een proefstuk gemaakt. Hierbij werd onderzocht of er voldoende hechting was van de ARMO- wapening in het natte spuitbeton. Het bleek niet goed mogelijk om twee lagen direct in het natte spuitbeton in te bedden en deze vervolgens met een tweede laag af te werken. Er is uitein- delijk voor gekozen om de ARMO-wapening in twee stappen aan te brengen. Hierbij is na het voorbehandelen van de ondergrond een eerste laag spuitbeton van circa 10 mm onder de betonnen vloer aangebracht. Hierin is een enkele laag ARMO-wapening ingebed. Deze wapening is vervolgens met een tweede laag spuitbeton afgewerkt. In de tweede spuitbetonlaag is de tweede laag ARMO-wapening aangebracht. Met een derde laag spuit- beton is het geheel afgewerkt. De uitvoering vereist enige handigheid met het aanbrengen van de ARMO-wapening (foto 1). Maar het is gebleken dat het aanbrengen van de ARMO-wapening vrij vlot en nauwkeurig is aan te brengen. Conclusies ten aanzien van de beproeving en het ontwerp Met behulp van een koolstofnet, ingebed in spuitmortel volgens het ARMO-systeem, is een versterking mogelijk van vloeren. De mate van versterking is sterk afhankelijk van de aanhech- ting van het koolstofnet aan de mortel. Het bezwijkgedrag bestaat uit het overschrijden van de rotatiecapaciteit en heeft hiermee een hoog waarschuwend vermogen. Hoewel de mogelijke capaciteitsverhoging enigszins lager is dan bij een versterking met uitwendig gelijmde koolstof­ lamellen, is er geen brandwerende bescherming noodzakelijk. Naar de mening van ABT is het ARMO-systeem hierdoor een ? Literatuur 1?Zwicky, D., Biegezugverstärkung schlanker Stahlbetonplatten mit Carbongittern. Hochschule für Technik und Architektur, Fribourg (HTA-FR), Schweiz. 2?CUR-Rapport 108: 1982, Plastische scharnieren. 3? CUR-Aanbeveling 91: 2007, Versterken van gewapendbetonconstructies met uitwendig gelijmde koolstofvezelwapening. Tweede herziene uitgave.