Rekenen met oversterkte Handleiding bij Stufib-rapport 28 'Sterkteklasse in relatie met milieuklasse' 1 Gietbouw, foto: Betonhuis 1 42? CEMENT 3 20 23 Een belangrijke eis die aan beton wordt gesteld, is de sterkte uitge- drukt in de sterkteklasse. Wanneer beton met bijvoorbeeld een sterkteklasse C20/25, C25/30 of C30/37 wordt gevraagd, dan zal het geleverde beton minimaal de ka- rakteristieke druksterkte hebben die bij de gevraagde sterkteklasse hoort, bij 20 °C en 100% luchtvochtigheid. Karakteristiek houdt in dat minimaal 95% van de gedrukte kubus- sen of cilinders sterktewaarden hebben hoger dan de gevraagde sterkte. Er worden ook andere eisen gesteld aan beton, bijvoorbeeld ten aanzien van ont- kistingssterkte, milieuklasse, opstijfgedrag, waterdichtheid en verharding onder koude omstandigheden. Deze eisen, met name de milieuklasse, kunnen effect hebben op de 28-daagse sterkte. Aan de milieuklasse is immers een minimum cementgehalte en een maximum watercementfactor gekop- peld. Dit betekent in de praktijk bijvoorbeeld dat beton met een sterkteklasse C20/25 of C25/30 in combinatie met een zware milieu- klasse, wordt uitgeleverd met een druk- sterkte die ook voldoet aan bijvoorbeeld C30/37, C35/45 of zelfs C45/55. Dit klinkt positief en dit zal in veel gevallen ook geen enkel probleem zijn. Maar in sommige ge- vallen, zoals bij een strenge scheurwijdte-eis in combinatie met verhinderde vervorming, kan het ook nadelige gevolgen hebben. In dit artikel wordt aangegeven hoe stap voor stap rekening kan worden gehouden met deze extra sterkte, die verder in dit arti- kel oversterkte wordt genoemd: een hogere (karakteristieke) betondruksterkte dan door de constructeur voor een betonconstructie is gevraagd. Hoe kun je rekening houden met oversterkte? Om de risico's van oversterkte te beheersen, is een stappenplan opgezet dat is afgeleid uit Stufib-rapport 28. Het stappenplan bestaat uit vijf stappen, die in tabel 1 zijn samenge- vat. De verschillende stappen worden een voor een toegelicht. Stap 1: Bepalen kans op oversterkte In de eerste stap moet worden bepaald of er een kans op oversterkte is. Er zijn verschil- lende situaties waarbij een hogere sterkte- klasse kan ontstaan: bij het voorschrijven van een zware milieu - klasse zoals XD3/XS3 en eventueel in com- binatie met XF4 en XA-klassen; bij het eisen van een sterkte ten behoeve van het snel ontkisten na het storten van het beton; bij koude gietbouw en daarmee een eis aan een sterkte na 14 uur voor een vroege ontkisting; door het gebruik van betonmortel in winter se omstandigheden in combinatie met slanke constructies (dikte kleiner dan 300 mm). In dit soort gevallen wordt er een zogenoemd wintermengsel toegepast. DR.IR. TON VAN BEEK 1) Technisch manager SKG-IKOB IR. DURAID SHAYOUT ¹ ) Ontwerpleider Mobilis auteurs In sommige gevallen kan de sterkte van beton hoger uitvallen dan gevraagd of verwacht, bijvoorbeeld door strenge eisen aan de milieuklasse of door de vraag om snel te kunnen ontkisten. In 2019 verscheen hierover Stufib-rapport 28 'Sterkteklasse in relatie met milieuklasse'. In het onderhavige artikel is op basis van dat rapport een korte handleiding geschreven, waarmee het mogelijk is de risico's in te schatten en zo maatregelen te nemen. 1) Dit artikel is tot stand gekomen in samen - w erking met Stufib- commissie 'In situ beton' (zie kader). CEMENT 3 2023 ?43 Een wintermengsel is een aangepast beton- mengsel in situaties met lage(re) buiten - temper aturen dat door een hoger cement - g ehalte en/of sneller verhardend cement de lagere sterkteontwikkeling compenseert. In de praktijk wordt veelal 25% van het hoog- ovencement CEM III/B 42.5 vervangen door CEM I 52.5 R; bij waterdicht beton ontworpen op basis van 'weisse wanne' of het NEN-EN 1992-3- principe. Als een van de bovenstaande punten van toe- passing is, dan is het nodig dat de betoncon- structeur en de uitvoerder een terugkoppe- ling krijgen van de betonmortelcentrale en de betontechnoloog o ver de verwachte sterkte na 28 dagen. Het is raadzaam om de situatie op oversterkte gezamenlijk te bespreken (betoncentrale, betontechnoloog, betoncon- structeur en uitvoerder). Stap 2: Inschatten problemen In de tweede stap moet worden ingeschat of oversterkte kan leiden tot problemen. Bij de volgende situaties kan oversterkte een risico zijn: als er ontworpen is op de minimale wape- ning om bros bezwijken te voorkomen; als vervormingen zijn verhinderd en de hoeveelheid wapening voor het opvangen van de opgelegde belasting gering is. In dit geval wordt de scheurvorming door de hoge (trek- of buig-) sterkte nadelig beïnvloed waardoor er een grotere scheurwijdte ontstaat; als strenge scheurwijdte-eisen van toepas- sing zijn. In dat geval kan een hogere beton- sterkte leiden tot grotere scheurwijdten dan uit berekening blijkt, doordat er grotere spanningen in het beton en staal zitten op moment van scheuren. Dit kan een probleem worden bij bijvoorbeeld water - k erende constructies. Dit zijn niet alle situaties waarbij er een risico bestaat, maar het geeft wel een beeld van veel voorkomende situaties. Stap 3: Oversterkte inschatten Om in te schatten hoe groot het risico van een hogere sterkte is, is het handig om te weten hoe groot deze oversterkte zal zijn. De mate van oversterkte is in te schatten op basis van de oorzaak die bepaald is in stap 1. Toepassen tabel F1 NEN-EN 206? Als er een oversterkte wordt verwacht op basis van het voorschrijven van een zware milieuklasse, dan kunnen Tabel F1 uit NEN-EN 206 en tabel E.1N van NEN-EN 1992-1-1 worden ge- bruikt. Deze geven een indicatie van de sterkteklasse bij verschillende milieuklassen (tabel 2). Deze tabellen zijn eigenlijk bedoeld om vanuit de druksterkte een milieuklasse in te schatten, echter deze werkwijze is in Nederland niet toegestaan. In dit artikel worden de tabellen gebruikt om in te schat- ten welke druksterkteklasse er waarschijn - lijk wordt geleverd bij een bepaalde milieu- klasse. Bij bijvoorbeeld milieuklasse XD3 wordt een sterkteklasse C35/45 verwacht (zie ook Stufib-rapport 28). Toepassen formules Eurocode 2 Wanneer er een vroegere sterkte is vereist, bijvoorbeeld om het beton op tijd te kunnen ontkisten, kan de sterkte na 28 dagen worden ingeschat met de formules 3.1 en 3.2 uit NEN-EN 1992-1-1 (art. 3.1.2(6)). f cm(t) = ? cc(t) f cm met cm cc cm( )= ( )ft tf ?????? ?? ?? = ?? ?? ?? ???????? 1 2 cc 28 ( ) exp 1 t s t In sommige gevallen, zoals bij een strenge scheurwijdte-eis, kan oversterkte nadelige gevolgen hebben STUFIB-COMMISSIE 'IN SITU BETON' Dit artikel is tot stand gekomen in samenwerking met Stufib-commissie 'In situ beton' die ook Stufib-rapport 28 heeft opgesteld. Momenteel bestaat die commissie uit: ? Ton van Beek (SKG-IKOB) ? Rob van Berkel (BAM Infraconsult) ? Ab van den Bos (Diana FEA) ? Govert Dorrenboom (ABT) ? Richard Giesen (K3Delta) ? Jacques Linssen (Aeneas/ Cement) ? Albert Rodenhuis (Dura Vermeer) ? Duraid Shayout (Mobilis) ? Rob Vergoossen (Royal HaskoningDHV) Tabel 1?Stappenplan stap 1 Bepalen of er een kans op oversterkte is stap 2 Inschatten of oversterkte ook kan leiden tot problemen stap 3 De oversterkte inschatten stap 4 Bepalen van de scheurwijdte op basis van de oversterkte en het risico op bros bezwijken stap 5 Beheersmaatregelen 44? CEMENT 3 20 23 25 30 35 40 45 500 714 2128 fcm[MPa] tijd [dagen] gemiddelde cilinderdruksterkteontwikkeling over de tijd Mkcmme a Mkcmme P waarin: f cm(t) is de g emiddelde cilinderdruk ster kte op tijdstip t ? cc(t) is een coëfficiënt die afhangt van de ouder dom t van het beton f cm is de g emiddelde cilinderdruksterkte b ehorende bij een druksterkteklasse v olgens de NEN-EN 1992 s is een coëfficiënt die afhank elijk is v an het type cement = 0,20 voor CEM 42,5 R , CEM 52,5 N en CEM 52,5 R cementen ( klasse R) = 0 ,25 voor CEM 32,5 R en CEM 42,5 N cementen ( klasse N) = 0 ,38 voor CEM 32,5 N cementen ( klasse S) ( hierbij staat klasse R voor rapid, N v oor normal en S voor slow) t ouder dom van het beton in dagen Bij bijvoorbeeld een ontkistingsterkte na 3 dagen van 25 N/mm 2 (karakteristieke ku - busdruksterkte, wat een gemiddelde cilin - derdruksterkte van 28 N/mm 2 geeft volgens tabel 3.1 in EN 1992-1-1), kom je op de gemid - deld eindsterkten en sterkteklassen, zoals ge- geven in tabel 3. De sterkteontwikkeling over de eer ste 28 dagen is gegeven in figuur 2. 2 Sterkteontwikkeling volgens Eurocode formule 3.1 en 3.2 voor een gemiddelde ontkistingssterkte van 28 N/mm² (cilinder) na 3 dagen. De verticale as geeft de gemiddelde sterkte aan 2 Tabel 2?Indicatieve sterkte bij bepaalde milieuklasse, gebaseerd op tabel F1 uit NEN-EN 206 en E.1N uit NEN 1992-1-1 milieuklasse indicatieve sterkteklasse X0 C12/15 XC1 C20/25 XC2 C25/30 XC3 en XC4 C30/37 XD1 en XD2 C30/37 XD3 C35/45 XS1 C30/37 XS2 en XS3 C35/45 XF1 C30/37 XF2* C25/30 XF3 C30/37 XF4* C30/37 XA1 en XA2 C30/37 XA3 C35/45 * Bij XF2 en XF4 is er een mogelijkheid voor luchtbelvormer met hoge wcf/wcb of een optie zonder luchtbelvormer met lage wcf/wcb. De laatste optie levert een veel hogere sterkteklasse op (uiteraard) dan de eerste. Hoewel meestal ook een XD2 of XD3 tegelijk met XF2/XF4 benodigd is, zodat de wcf/wcb-eis van die klasse bij de optie met lucht maatgevend wordt. Wanneer vroege betonsterkte is vereist, kan de sterkte na 28 dagen worden ingeschat met formules uit de Eurocode CEMENT 3 2023 ?45 Dit voorbeeld gaat uit van een standaard tem- peratuur van 20 °C. Vooral als het koud is in combinatie met veel warmteverliezen uit het beton naar zijn omgeving, zal deze sterkte - ontwikkeling langzamer gaan. Om dit te com - penseren, wordt bij op langzamere hoogoven - cement gebaseerde mengsels in de winter nog w el eens een deel CEM I 52,5 R toegevoegd, om toch de sterkte ten behoeve van het ont - kisten of afwerken te halen. Dit heeft vaak tot g evolg dat een hogere sterkte wordt geleverd dan de verwachte sterkte bij CEM IIIB. Als dit voorkomt, is het verstandig te vragen aan de betoncentrale welke sterkteklasse er uitein - delijk geleverd gaat worden. Hierbij moet wel w orden bedacht dat het gevolg van deze extra sterkte bij koude gietbouw meestal geen na - delige gevolgen heeft ten aanzien van de scheurwijdte of het risico op brosse breuk. Stap 4: Bepalen scheurwijdte en risico op bros bezwijken Met de beschikbare gegevens kan in de vier- de stap worden uitgerekend hoe groot de scheurwijdte bij verhinderde vervorming kan worden en of er risico is op het bros bezwijken van de constructie. De toets op br os bezwijken kan door de toets op het minimum wapeningspercentage volgens 7 .3.2 van EN 1992-1-1 uit te rekenen met de sterkteklasse die wordt verwacht. De scheur - wijdte kan worden gecontroleerd volgens 7 .3.3 of 7.3.4. Stap 5: Beheersmaatregelen Als uit de berekeningen blijkt dat er proble- men zijn door de oversterkte, dan kunnen de volgende maatregelen worden genomen: de constructie zo ontwerpen dat deze niet gevoelig is voor de oversterkte; de wapeningsconfiguratie aanpassen aan de te verwachtten sterkte; aan de betoncentrale ook een maximum aan de druksterkte opgeven. Houd er hierbij goed rekening mee dat je het beiden over dezelfde druksterkte hebt (cilinder versus k ubus, karakteristiek versus gemiddeld etc.); mogelijk kan er een slankere constructie worden toegepast. Bij het toepassen van kleinere betondoorsnede en gelijkblijvende wapening wordt het wapeningspercentage hoger. De hogere sterkteklasse geeft minder snel de noodzaak tot het toepassen van dwarskrachtwapening. Tijdig in gesprek Met deze vijf stappen kan een inschatting worden gemaakt van het risico op oversterk - te van beton en een keuze worden gemaakt v oor maatregelen om het risico te beheer - sen. Voorbeelden van constructies waarbij de o versterkte tot extra wapening kan leiden zijn: de verdeelwapening in een utiliteits - bouwvloer door de eisen aan de ontkistings- sterkte, de verdeelwapening in het dek van een tunnel bij het g ebruik van een winter - mengsel en de verdeelwapening in de wand v an een tunnel door de milieuklasse. Bij dit stappenplan hoort ook een waarschuwing: gebruik de oversterkte alleen daar waar deze een risico is in de be r ekening. Het gaat hierbij om de scheur - v ormingseisen en de benodigde minimum wapening, waarmee brosse breuk wordt voorkomen. Zorgvuldigheid moet in acht worden genomen als de oversterkte als uitg angspunt in verdere berekeningen wordt gebruikt. Je kunt er niet vanuit gaan dat je de extra sterkte altijd krijgt. Het tijdig voeren van gesprekken door de constructeur met een betontechnoloog of beton technologisch ad viseur is van groot belang, zodat het juiste beton wordt toege- past voor de beoogde constructie. De techno- loog kan de bandbreedte van de verwachte en dus toe te passen sterkteklasse voor het beton heel nauwkeurig bepalen. Hierdoor worden risico's tot een minimum beperkt en wordt er niet 'gratis' sterkte weg g egooid. Zo kun je de oversterkte ook gebruiken om een constructie te mak en met minder CO 2- emissie. Tabel 3?Gemiddelde sterkte conform NEN-EN 1992-1-1 art. 3.1.2(6) cementklasse gemiddelde sterkte op 3 dagen (cilinder)gemiddelde sterkte op 28 dagen (cilinder) sterkteklasse R 28 N/mm242 N/mm2C30/37 (bijna C35/45) N 28 N/mm247 N/mm2C35/45 (bijna C40/50) Het tijdig voeren van gesprekken door de con- structeur met een betontech - noloog is van groot belang REFERENTIES - Stufib-rapport 28 - Sterkteklasse in relatie met milieuklasse (rapport is beschikbaar op www.stufib.nl). - NEN-EN 206 - Beton - Specificatie, eigenschappen, vervaardiging en conformiteit. - NEN-EN 1992-1-1 - Ontwerp en berekening van betonconstructies. 46? CEMENT 3 20 23