O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eReparat ieEen constructie kan om veel ver-schillende redenen versterkingbehoeven. Bijvoorbeeld eengebouw dat van functie verandert,waarbij het nodig kan zijn extragaten in wanden en vloeren aan tebrengen voor liften en installatie-schachten. Ook kunnen de belas-tingen, behorende bij de nieuwefunctie, hoger zijn dan die waaropde constructie van het gebouw isberekend. Een ander voorbeeld isde toenemende belasting op civie-le werken. Maar versterking kanook worden toegepast om schadeaan constructies na bijvoorbeeldaanrijding, aardbevingen, trillin-gen uit de omgeving of corrosie teherstellen. Een van de manierenom een constructie te versterkenis met uitwendig gelijmde kool-stofvezelwapening (foto 1).De afgelopen jaren is er wereld-wijd veelvuldig onderzoek gedaannaar het versterken van construc-ties met uitwendig gelijmde kool-stofvezelwapening. Op basis vandat onderzoek zijn inmiddels ookontwerp-rekenregels beschikbaar.In Nederland is in juni 2002CUR-Aanbeveling 91 `Versterkenvan gewapende betonconstructiesmet uitwendig gelijmde koolstof-vezelwapening' [1] verschenen.Hierin worden ontwerpregels voorhet op buiging en dwarskrachtversterken van gewapend-beton-constructies met uitwendiggelijmde koolstofvezelwapeninggegeven. Deze Nederlandse aan-beveling is grotendeels gebaseerdop fib-Bulletin 14 [3], waarin deinformatie uit de verschillendeonderzoeken en de beschikbarerekenregels zijn verzameld engepubliceerd.Bij het onderzoek naar het bezwij-ken van uitwendig met koolstofve-zelwapening versterkte construc-ties, speelt het onthechten van devezels een belangrijke rol. Dit ont-hechten gebeurt echter vaak ergexplosief. Het is daarom moeilijkde precieze oorzaak van de ont-hechting te achterhalen. Er bestaatook nog geen volledige overeen-stemming tussen onderzoekersover de verschillende manierenwaarop onthechting kan ontstaan.Verder kan erop worden gewezendat nog niet alle aspecten van hetversterken met uitwendig gelijmdekoolstofvezelwapening volledig zijnonderzocht.Om het inzicht in uitwendig ver-sterkte gewapend-betonconstruc-ties te vergroten, wordt hiernaaraan de Technische UniversiteitEindhoven onderzoek uitgevoerd.In dit artikel wordt een aantalresultaten van een afstudeeronder-zoek naar het gedrag van boveneen tussensteunpunt op buigingversterkte gewapend-betoncon-structies getoond. Tot nu toe is inbijna alle eerder uitgevoerde onder-zoeken het gedrag van een ver-sterkte betonconstructie onder-zocht aan de hand van liggers ineen enkelvoudige overspanning(fig. 2). Voor zover bekend is diteen van de eerste onderzoekenwaarin liggers in een meervoudigeoverspanning zijn bestudeerd.O p z e t e x p e r i m e n t e nEen eenvoudige vorm van eenmeervoudige overspanning is eenligger op drie steunpunten (fig. 3).Vanwege de statische onbepaald-heid is het niet eenvoudig in expe-rimenten exact de krachtverdelingcement 2004 768Onthechting van opgelijmde koolstof-vezelwapening nader onderzochtir. L. Bukman, Arup bvprof.dr.ir. D.A. Hordijk, TU-Eindhoven en Adviesbureau ir. J.G. Hageman B.V.prof.ir. C.S. Kleinman, TU-EindhovenHet versterken van betonconstructies door het aanbrengen van opgelijmdekoolstofvezelwapening is een jonge, veelbelovende techniek, die steeds meerwordt toegepast. Met het uitbrengen van CUR-Aanbeveling 91 [1] in 2002 zijnook rekenregels beschikbaar gekomen. De capaciteit van de versterkte beton-constructie wordt bepaald door de onthechting van de koolstofvezelwapening.Hoe die onthechting precies plaatsheeft, is niet goed bekend. In experimenten isdit ook moeilijk vast te stellen vanwege het veelal explosieve karakter van hetonthechten. Bij de faculteit Bouwkunde van de TU-Eindhoven wordt onderzoekuitgevoerd naar de techniek van het versterken met opgelijmde koolstofvezel-wapening. Als onderdeel van haar afstudeerwerk heeft ir. L. Bukman experi-menten uitgevoerd waarbij via rekmetingen en het gebruik van een hogesnel-heidscamera is geprobeerd de wijze van onthechten te bestuderen [2].1 |Aangebrachte verster-king ter plaatse van eente maken trapgatfoto: Sika Nederland BV2 |Versterking voor eenveldmoment bij een lig-ger in enkelvoudigeoverspanning3 |Versterking voor eensteunpuntmoment bijeen statisch onbepaaldeliggerMqA BBAbeton constructiekoolstofvezelMqA B CA B Cbeton constructiekoolstofvezelO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRepa rat iete sturen. Om toch een situatie tecre?ren die vergelijkbaar is met hetversterken boven een negatiefsteunpunt en de krachtsverdelingprecies te kunnen bepalen, is deligger ten opzichte van de situatiein figuur 3 omgekeerd (fig. 4, foto5). De ligger is nu statisch bepaalden de puntlasten stellen nu deopleggingen van een ligger op driesteunpunten voor.In het onderzoek zijn in totaal zesliggers beproefd met een lengtevan 5 m en overspanning tussende steunpunten van 3,5 m. De lig-gerdoorsnede was 200 x 450 mm2(b x h). Betondoorsnede, inwendigewapening en vezeldoorsnede vande uitwendig gelijmde koolstofve-zelwapening zijn voor alle proef-stukken gelijk. Drie verschillendelengten voor de koolstofvezelwape-ning zijn toegepast, waarbij elkelengte in tweevoud is beproefd. Indit artikel worden de resultatenbesproken van een proef met2460 mm lange strippen. Bij deaangehouden belastingconfiguratie(fig. 4) bevindt het uiteinde van destrip zich dan ter plaatse van hetmomentennulpunt. Volgens CUR-Aanbeveling 91 moeten voor ont-hechting vier mechanismen wor-den getoetst. Voor de versterktebalk met strippen tot het momen-tennulpunt is het mechanisme`onthechting bij dwarskrachtscheu-ren' maatgevend.Tijdens de experimenten zijn devervormingen van de ligger en rekin de vezel op verschillende plaat-sen op de balk gemeten (fig. 4).Omdat het onthechten zeer explo-sief optreedt, is het moment waar-op dit optreedt en dus de exacteplaats waar dit begint, met eengewone digitale videocamera (25beelden per seconde) niet vast teleggen. Dit is ook uit opnamen vaneerdere experimenten gebleken.Twee elkaar opvolgende beeldentonen respectievelijk de ligger m?ten de ligger zonder koolstofvezel-wapening. Omdat het juist interes-sant is te zien waar de vezel heteerst van de balk loslaat, is bijenkele van de experimenten eenhogesnelheidscamera (tot 4000beelden per seconde) gebruikt.O n t h e c h t i n g b i jd w a r s k r a c h t s c h e u r e nZoals voorgaand al is aangegeven,zijn er verschillende mechanis-men die kunnen leiden tot ont-hechting van de opgelijmde kool-stofvezelwapening en is de wijzewaarop dat in werkelijkheidgebeurt nog niet goed bekend.E?n van de voorgestelde mecha-nismen is onthechting bij dwars-krachtscheuren. Omdat bij toepas-sing van de rekenregels volgensCUR-Aanbeveling 91 [1], ditmechanisme voor de betreffendeligger maatgevend is, wordt daar-op nader ingegaan.Dwarskrachtscheuren in gewa-pend beton worden gekenmerktdoor de relatieve verplaatsing vande scheurvlakken ten opzichte vanelkaar in zowel een horizontale(w) als verticale (v) richting (fig. 6).Zolang de koolstofvezelwapeningaan beide zijden van de scheur viade lijmlaag nog vast aan het betonis gehecht, zal dit ter plaatse vande scheurtip leiden tot spannin-gen loodrecht op de koolstofvezel-wapening. Aan de zijde van descheur waar het beton naar bene-den wil, treden drukspanningenop, terwijl aan de andere zijde vande scheur trekspanningen optre-den. De verwachting is dat als decombinatie van deze trekspannin-gen met de aanwezige schuifspan-ningen een bepaald sterktecriteri-um overschrijden, onthechtingoptreedt. In CUR-Aanbeveling 91[1] is voor dit onthechtingsmecha-nisme een empirische vergelijkingopgenomen, die is voorgestelddoor Matthys [4]. Op basis vandiverse in de literatuur gerappor-teerde resultaten heeft Matthysafgeleid bij welke dwarskracht,afhankelijk van het aanwezigewapeningspercentage, onthech-ting optreedt. Dit is overgenomenin CUR-Aanbeveling 91, waarbijvoor de rekenwaarden de volgen-de relatie is aangehouden:(0,38 + 1,51eq) ? b ? dsVd max.= (1)mwaarin eqhet equivalent wape-ningspercentage is, bepaald vol-gens:eq= s+ f(Ef/Es) (2)M o m e n t - k r o m m i n g -r e l a t i e sDe theoretische en gemetenmoment-krommingrelaties voorde middendoorsnede van de lig-gers, aangeduid met 11 en 12, zijnin figuur 7 weergegeven. Hettheoretische bezwijkmoment vande onversterkte ligger is 95 kNm.Ligger 12 is in onversterkte toe-cement 2004 7 694 |Schematische weergaveproefopstelling5 |Proefopstelling25 F FLVDT'srekstrookjes25 Fonthechtingvw6 |Mechanisme van ont-hechting bij dwars-krachtscheurenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eReparat iestand voorbelast tot juist vloeienvan de wapening optrad.Vervolgens is deze ligger ontlasten, nadat de versterking is aange-bracht, opnieuw belast. Het gehe-le M--verloop is in figuur 7 weer-gegeven. Daaruit blijkt dat hetwerkelijke bezwijkmoment van deonversterkte ligger waarschijnlijkiets hoger is dan 95 kNm.Onthechting van de koolstofvezel-wapening trad op bij een momentin de middendoorsnede dat gelijkwas aan 163 kNm en 156 kNmvoor respectievelijk de niet-voorbe-laste en voorbelaste ligger.Uitgaande van de gemiddelderelatie voor het mechanisme `ont-hechting bij dwarskrachtscheuren'zou onthechting bij een momentvan 130 kNm kunnen worden ver-wacht. De experimentele waardeligt hoger dan de theoretischewaarde.E m p i r i s c h m o d e lo n t h e c h t i n gOp basis van de modellen inCUR-Aanbeveling 91 zou ont-hechting van de liggers moetenoptreden ten gevolge van dekrachtswerking die ter plaatse vandwarskrachtscheuren optreedt.Omdat Matthys [4] het empirischemodel heeft opgesteld op basisvan resultaten voor versterkte lig-gers op twee steunpunten, is hetinteressant om te zien of de resul-taten van dit onderzoek daarbijaansluiten. Zoals in figuur 8 is tezien, is dat zeker het geval.H o g e s n e l h e i d s c a m e r aHet bezwijkgedrag van beide lig-gers was hetzelfde en werd geken-merkt door zeer explosief onthech-ten van de koolstofvezelwapeningover bijna de gehele lengte. Slechtseen van de uiteinden van de kool-stofvezelwapening bleef aan debalk vastzitten. Met het doel te pro-beren de plaats van initiatie vanonthechting vast te leggen, is eenhogesnelheidscamera gebruikt. Defotoserie is te zien op de site vanCement: www.vakbladcement.nl.Ondanks dat het wel gelukt is omvoor beide liggers het moment vanonthechting op de camera vast teleggen, was het nog wel moeilijkom de locatie waar de onthechtingvan de vezel wordt ge?nitieerd tebepalen. De beelden tonen de ont-hechting, zoals die bij ligger 12 isvastgelegd, waarbij tussen het eer-ste en laatste beeldje een tijdsperio-de van 18 milliseconde aanwezigis. Ondanks de hoge snelheidwaarmee de beelden zijn vastge-legd (2250 beelden per seconde)was op het eerste beeld waaroponthechting zichtbaar was, de kool-stofvezelwapening al over een leng-te van ongeveer 500 mm losgela-ten. Onder de aanname dat de ont-hechting zich in beide richtingeneven snel uitbreidt, zal de onthech-ting in het midden van deze500 mm zijn ge?nitieerd.Wanneer de beelden van de hoge-snelheidscamera nauwkeurig wor-den bestudeerd, is voor beide lig-gers waar te nemen dat het gruis,dat loslaat van de ligger tijdens hetonthechten van de vezel, in tweerichtingen naar beneden valt. Hetcentrum van deze twee richtingenzal waarschijnlijk de locatie zijnwaar onthechting is ge?nitieerd envan waaruit de onthechting zich intwee richtingen heeft uitgebreid(foto 9). Deze locatie komt overeenmet het midden van de op het eer-ste beeld waargenomen onthech-ting en ter plaatse bevindt zich ookdaadwerkelijk een schuine dwars-krachtscheur. Dit lijkt de theorie tebevestigen dat onthechting terplaatse van dwarskrachtscheurenkan worden ge?nitieerd. Verderwas bij ligger 11 waar te nemendat naast de scheur, aan de zijdewaar theoretisch de koolstofvezel-wapening aan het beton trekt, erook een soort betonkegel uit hetbetonoppervlak was getrokken(foto 10). Dit lijkt de theorie tebevestigen dat trekspanningenloodrecht op de koolstofvezelwape-ning ter plaatse van dwarskracht-scheuren een rol spelen bij de ini-tiatie van onthechting.In de proeven is ook het verloopvan de rek over de halve lengtevan de koolstofvezelwapening viacement 2004 7707 |Theoretische en gemetenM--relaties8 |Relatie tussen equivalentwapeningspercentage endwarskracht, waarbijonthechting bij dwars-krachtscheurenoptreedt: resultaten uit[4] aangevuld met resul-taten van onderzoek aande TU-Eindhoven [2]0501001502002500 10 20 30 40 50 60 70 80onthechten bij dwarskrachtscheuren (130 kNm)M =163 kNmM =156 kNmu,11u,12kappa (?10 mm )moment(kNm)-6 -1opneembareschuifspanningd(N/mm)0.52.52.01.51.03.53.0equivalent wapeningspercentage (%)0.2 0.4 0.6 0.8= TU/e ligger 11 en 12= TU/e bij ligger op 2 steunpunten= Literatuur1.0 1.211 12421 M (design equation)M (95 % fractile)MD32O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRepa rat ierekstrookjes vastgelegd (fig. 11).In totaal is de rek op zes plaatsengemeten. Voor alle duidelijkheidwordt erop gewezen dat alleen derek ter plaatse van de punten 1 toten met 6 is gemeten. In de grafiekzijn deze meetpunten via rechtelijnen met elkaar verbonden. Dewerkelijke rek tussen twee meet-punten is dus niet bekend.Bewust is ervoor gekozen infiguur 11 telkens eenzelfde belas-tingstap (10 kNm) tussen twee lij-nen aan te houden, zodat eenvou-dig te zien is bij welke belastingde rek in de koolstofvezelwape-ning sneller begint toe te nemen.Het verloop van rekmetingen overde lengte van de koolstofvezelwa-pening bevestigt dat het uiteindevan de strip zich inderdaad onge-veer ter plaatse van het momen-tennulpunt bevindt. Wat verderopvalt in figuur 11 is dat de rekter plaatse van meetpunt 1 en 2bij benadering gelijk is. Dit sluitaan bij de theorie van de verscho-ven momentenlijn. Op eenafstand gelijk aan dsvanaf depuntlast treedt een totale trek-kracht in de koolstofvezelwape-ning plus de betonstaalwapeningop die behoort bij het moment terplaatse van de puntlast. In hetgebied tussen de doorsneden opeen afstand dsaan weerszijdenvan het midden is de trekkrachtconstant.In het gemeten moment-krom-mingdiagram (fig. 7) is te zien datbij een moment in de midden-doorsnede dat gelijk is aan onge-veer 120 kNm, de wapeningbegint te vloeien. Vanaf die belas-ting zal een toename van de trek-kracht ten gevolge van het bui-gend moment in de middendoor-snede geheel voor rekeningkomen van de koolstofvezelwape-ning. Dit is in figuur 11 ook dui-delijk te zien aan de grotere rek-toename per belastingstap.C o n c l u s i eMet het onderzoek is aangetoonddat het met behulp van een hoge-snelheidscamera en rekmetingenmogelijk is meer inzicht te krijgenin de mechanismen die tot ont-hechting van opgelijmde koolstof-vezelwapening leiden. Het onder-zoek heeft laten zien dat bij deonderzochte versterkte liggers deonthechting begint ter plaatse vaneen dwarskrachtscheur. Verder isvastgesteld dat de experimenteleresultaten voor onthechting vande opgelijmde koolstofvezelwape-ning bij een negatief steunpunt-moment goed aansluiten bij hetempirische model dat Matthys [4]voor onthechting bij dwarskracht-scheuren heeft voorgesteld en datin de CUR-Aanbeveling 91 [1] isgebruikt. D a n k w o o r dDe onderzoekers bedanken SikaNederland B.V. en Spanstaal B.V.voor hun ondersteuning bij hetuitgevoerde experimentele onder-zoek.L i t e r a t u u r1. CUR-committee C 97B,Versterken van betonconstruc-ties met uitwendig gelijmdekoolstofvezel wapening.Aanbeveling 91, CUR, Juni2002.2. Bukman, L., Strengthening ofreinforced concrete structureswith externally bonded carbonfibre reinforcement. TU-Eindhoven, AfstudeerrapportA-2003.1, mei 2003.3. fib-task group 9.3 FRP (FibreReinforced Polymer) reinforce-ment for concrete structures,Externally bonded FRP rein-forcement for RC structures.Bulletin 14, fib, maart 2001.4. Mathys, S., Structural beha-viour and design of concretemembers strengthened withexternally bonded FRP reinfor-cement. Proefschrift,Universiteit Gent, Belgi?,november 2000.cement 2004 7 7111 | Locatie rekstrookjes open rekverloop over dehalve lengte van dekoolstofvezelwapeningbij verschillendemomenten in de mid-dendoorsnede9 |Het gruis valt in tweerichtingen naar beneden10 | Onder aan de scheur iseen kegel uit de beton-dekking getrokken012345678162 kNm160 kNm150 kNm140 kNm130 kNm120 kNm110 kNm100 kNm90 kNm80 kNm70 kNm60 kNm50 kNm40 kNm30 kNm20 kNm10 kNm0 kNm123460=midden ligger50010001500plaats op de ligger (mm)rek()123456115 x 250 mm