C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gSt aal ve zelbeton58 cement 2008 4Om de haalbaarheid van staalvezel-beton als element voor het opne-men van dwarskracht, bij geprefa-briceerde voorgespannen balken teonderzoeken, werd een experimen-teel proefprogramma gerealiseerdin samenwerking tussen het Labo-ratorium Magnel voor Betononder-zoek van de Universiteit Gent enhet bedrijfsleven. De participantenwaren Megaton n.v., een prefab-betonfabrikant behorend tot deWilly Naessens Groep, en Bekaertn.v., dat de staalvezels leverde entevens adviseerde bij het mengsel-ontwerp van het staalvezelbeton.P r o e f p r o g r a m m aVier I-vormige balken werdenvervaardigd en aan een belastings-proef tot breuk onderworpen. Devier balken (fig. 1) waren geome-trisch volledig identiek (l = 10,9 m,h = 900 mm, bflens= 300 mm, blijf=80 mm). Het balktype (I 90/30)komt uit het standaard productie-gamma van Megaton.De balken werden nabij hun uit-einden opgelegd met een over-spanning van 10,3 m. Het eigen-gewicht bedroeg ongeveer3,6 kN/m en de balken waren ont-worpen voor een uniform verdeel-de gebruikslast van ongeveer31 kN/m. De sterkteklasse van hetbeton bedroeg C 50/60 en het pas-sieve wapeningsstaal was van kwa-liteit BE 500 S.Als voorspanwapening werdenzevendraadsstrengen ?12,5 mmvan sterkteklasse 1860 N/mm?toegepast. In de referentiebalkzonder staalvezels werden twee-benige verticale beugels ?8 mmals dwarskrachtwapeninggebruikt. Rekening houdend metzeven voorspanstrengen die elktot 135 kN zouden worden aange-spannen, was een beugelafstandvan 300 mm vereist in het I-vor-mig deel van de balk volgensEurocode 2. De eindblokkenbevatten een aangepaste passievewapening om de ankerkrachten1 |Zijaanzicht en dwars-doorsneden van de bal-kenStaalvezelbeton alsalternatief voor traditioneledwarskrachtwapening?90030010011015090080 110110503004902750860010300109003001050900F1150300ir. P. De Pauw en prof.dr.ir. L. Taerwe,Universiteit Gent/Labo Magnel voor Betononderzoekir. N. Van den Buverie *) en ir. W. Moerman, Willy Naessens Industriebouw n.v.Constructieve betonelementen zoals balken, bevatten altijd dwarskrachtwa-pening als zij volgens Eurocode 2 worden ontworpen. Indien dwarskrachtwa-pening volgens de evenwichtsvergelijkingen niet nodig is, is desondanks eenminimum dwarskrachtwapening vereist. Het produceren en plaatsen vanconventionele dwarskrachtwapening, zoals beugels, is vrij arbeidsintensief envertegenwoordigt een niet te verwaarlozen aandeel in productietijd en -kos-ten van gewapende en/of voorgespannen betonelementen. Daarom wordt inde prefab-betonsector gezocht naar alternatieven. Staalvezelbeton vormtmogelijk een aanvaardbare oplossing.*) Dit artikel is ondermeer gebaseerd op deeindstudie van ir. N.Van den Buverie.Deze studie kreeg eeneervolle vermeldingbij de ENCIStudieprijs 2007.C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gSt aalve zelb etoncement 2008 4 59van de voorspanstrengen en dedwarskracht aan de balkeinden tekunnen opnemen.Om het dwarskrachtgedrag van eenbalk te onderzoeken, werd dezebelast met een puntlast F die aan-greep op een afstand van 2,75 mgemeten vanaf ??n van de steun-punten (fig. 1). Het aanbrengen vandeze lokale puntlast in plaats vaneen uniform verdeelde belastingover de volledige balk gaf echternog geen garantie dat de balk opdwarskracht zou bezwijken. Inte-gendeel, de balk zou nog altijdbezwijken op buiging.Om een buigingsbreuk in de balkte vermijden werd de voorspan-kracht verhoogd. Hiertoe werdhet aantal voorspanstrengen in deonderflens van de balk verhoogdvan zeven naar elf. Als gevolg vandeze aanpassing werd op hetogenblik van voorspannen nuechter de treksterkte van hetbeton in de bovenvezel van debalk overschreden. Om de optre-dende trekkrachten te kunnenopnsemen, werden in de boven-flens van elke balk vier passievelangswapeningsstaven ?16 mmgeplaatst.De aldus gewijzigde balken zou-den tijdens de belastingsproefeerder bezwijken op dwarskrachtdan op buiging, doch hun boven-flens zou buigscheuren vertonendoor het voorspannen. De langs-wapening en de buigingsscheurenin de bovenflens zouden uiteraardinvloed hebben op het dwars-krachtgedrag van de balk in verge-lijking met een traditionele voor-gespannen betonbalk, waar dezewapening en scheuren niet aan-wezig zouden zijn. Het bleef ech-ter wel mogelijk dergelijke balkenmet verschillende weerstandbie-dende elementen tegen dwars-kracht onderling te vergelijken.Figuur 2 toont een zijaanzicht vande referentiebalk met traditionelebeugels h.o.h. 300 mm. De drieoverige balken waren identiek watbetreft voorspanwapening, pas-sieve langswapening en wapeningin de eindblokken. Slechts detweebenige beugels in het I-vor-mige deel van de liggers ontbra-ken, zoals weergeven in hetonderste deel van figuur 2.Een eerste balk zonder beugelswerd vervaardigd met beton zon-der staalvezels om naderhand heteffect van de twee types dwars-krachtwapening op de dwars-krachtcapaciteit van de balken tekunnen nagaan. De twee overigebalken zonder beugels werdenvervaardigd met staalvezelbeton.Hierbij werd gebruikgemaakt vanhetzelfde staalvezeltype, maar inverschillende hoeveelheden. Degebruikte vezels ? DRAMIX RC80/60 BP van Bekaert ? zijnhoge sterkte staalvezels metgehaakte uiteinden (l = 60mm, l/d = 85). Bij de eerstebalk uit staalvezelbeton werd40 kg vezels per m3beton toe-gevoegd; bij de tweede balkwas dit 60 kg/m3. Deze hoe-veelheden werden gekozen opbasis van ontwerpmodellenvoor staalvezelbeton en litera-tuurgegevens.De vier balken werden gestorten voorgespannen bij Megaton.Naast de balken voor hetonderzoeksproject stonden opdezelfde voorspanbank nogenkele balken voor commerci-ele doeleinden. Omdat dezwaarste van deze laatste bal-ken vijftien voorspanstrengennodig had, liepen deze stren-gen ook door de vier balkenvan het proefproject heen.Twee van de extra strengen werdenrespectievelijk links en rechts vande drie strengen uit de tweedestrengenlaag aangebracht. De ove-rige twee strengen werden als extrastrengenlagen vier en vijf toege-voegd. De extra strengen werdenvan een speciale plastic omhullingvoorzien, zodat zij zich niet aan hetbeton van de testbalken zoudenhechten en dus ook de voorspan-ning van deze balken niet zoudenbe?nvloeden (fig.3).B e t o n s a m e n s t e l l i n gZowel voor het beton zondervezels als voor beide types staal-vezelbeton, werd uitgegaan vande standaard betonsamenstellingvan Megaton. Het enige verschiltussen het beton zonder of metvezels was de aanwezigheid vande staalvezels en een hogere hoe-veelheid superplastificeerder inhet staalvezelbeton. De beno-2 |Passieve wapening inbalk met beugels en inbalken zonder beugels3 |Strengschikking inonderflens van I-vormigbalkdeel (vier omhuldestrengen)C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gSt aal ve zelbeton60 cement 2008 4digde hoeveelheid superplastifi-ceerder voor beide types staalve-zelbeton werd voorafgaandelijkexperimenteel bepaald.Tevens werd proefondervindelijknagegaan of het staalvezelbeton welin staat zou zijn om via het smallelijf van de ligger de met voorspan-strengen gevulde onderflens van deligger correct te vullen. Hiertoewerden een deel van de onderflensen het lijf van de ligger nagebouwdmet een houten bekisting die aanbeide uiteinden werd voorzien vaneen plexiglas wand. Door de plexi-glazen wanden heen werden ver-scheidene wapeningsstaven ?16mm gestoken die de voorspanstren-gen simuleerden (foto 4).Bij het storten van voorgespannenbetonbalken in traditioneel beton,wordt bij Megaton voor het ver-dichten zowel gebruik gemaaktvan trilnaalden als van bekistings-trillers. De trilnaalden wordencontinu gebruikt tijdens het stor-ten van het beton, terwijl de bekis-tingstrillers enkel periodiek wor-den ingeschakeld. Bij staalvezelbe-ton is het gebruik van trilnaaldenechter niet toegestaan, omdat dezede ori?ntatie van de vezels in hetbeton kunnen be?nvloeden. Ditbetekent dat de bekistingstrillersop zichzelf in staat moeten zijnhet beton te verdichten.P r o e f r e s u l t a t e nDe vier proefbalken werden ver-vaardigd op verschillende data ineen periode van tien dagen. Tabel1 geeft een overzicht van de bal-ken. Het betonstorten leverde geengrote problemen. Bij de ligger uitstaalvezelbeton met een vezelge-halte van 60 kg/m3, trad brugvor-ming van de vezels op de vierlangsstaven in de bovenflens op.Door de inzet van de bekistingstril-lers en de lage stortsnelheid pas-seerden de vezels uiteindelijk tochdeze langsstaven en tevens destrengen in de onderflens, en werdde bekisting goed gevuld.Naast de balken werd ook eenreeks kleinere proefstukken ver-vaardigd om de mechanischeeigenschappen en het tijdsafhanke-lijk gedrag van het beton te bepa-len. Het beton van de twee balkenzonder vezels en van de ligger meteen vezelgehalte van 40 kg/m3hadnagenoeg dezelfde druksterkte op28 dagen ouderdom. De gemid-delde kubusdruksterkte lag tussen62,4 en 65,4 N/mm2. Ook desecans-elasticiteitsmodulus wasvoor deze balken van dezelfdegrootte-orde, namelijk 31 500 tot34 000 N/mm2. De waarden voorde ligger met een vezelgehalte van60 kg/m3lagen iets lager. Degemiddelde kubusdruksterktebedroeg slechts 55,7 N/mm2, ter-wijl de secans-elasticiteitsmodulus26 900 N/mm2bedroeg. Deze lage-re waarden zijn mogelijk te wijtenaan een iets minder goede verdich-ting van het beton, aangezien ditbeton ook de laagste volumemassaliet optekenen ondanks het grootstestaalvezelgehalte. De krimpvervor-mingen voor de verschillendebetontypes waren nagenoeg dezelf-4 |Proefopstelling voor uit-testen vulcapaciteit vanstaalvezelbetonbalknummer beugels staalvezels1 - -2 h.o.h. 300 mm -3 - 40 kg/m?4 - 60 kg/m?Tabel 1 |Overzicht van de balkenbelasting bij balk 1 balk 2 balk 3 balk 4eerste buigingsscheur 400 kN 400 kN 480 kN 400 kNeerste dwarskrachtscheur 405 kN 400 kN 490 kN 420 kNbezwijken 597 kN 721 kN 740 kN 695 kNTabel 2 |Overzicht van de belangrijkste belastingwaarden bij de proeven op de balkenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gSt aalve zelb etoncement 2008 4 61de. De kruipvervormingen van hetstaalvezelbeton waren iets hogerdan deze van het beton zondervezels. Dit kan worden verklaarddoor het verschil in ouderdom ophet ogenblik van belasten, namelijkde dag waarop de voorspanning opde balken werd aangebracht.Er werden ook vervormingsge-stuurde buigproeven uitgevoerd opprismatische proefstukken. Ener-zijds werden vierpuntsbuigproevenuitgevoerd volgens de Belgischenorm en anderzijds werden drie-puntsbuigproeven uitgevoerd vol-gens de RILEM methode. Uit dezeproeven werden de buigtreksterktesbij eerste scheurvorming bepaald.Bij staalvezelbeton werden boven-dien nascheurparameters zoals deequivalente buigtreksterktes, deconventionele buigtreksterktes ende residuele buigtreksterktebepaald. De driepuntsbuigproevenleverden systematisch lagere waar-den op voor de buigtreksterktes bijeerste scheurvorming dan de vier-puntsbuigproeven. De toevoegingvan staalvezels aan het beton hadbijna geen effect op de buigtrek-sterkte bij eerste scheurvorming.De nascheurparameters vertoondenbelangrijke variaties voor gelijkaar-dige betonproefstukken.De toevoeging van 60 kg vezelsleidde niet tot een beter nascheur-gedrag dan de toevoeging van 40 kgvezels. Ook het aantal vezels in hetbreukvlak vertoonde belangrijkevariaties. Een deel van de variatieskan mogelijk worden verklaarddoor de moeilijke omstandighedenwaarin het beton voor de kleinscha-lige proefstukken moest wordenbemonsterd.Tabel 2 geeft een overzicht van deresultaten behaald tijdens de belas-tingsproeven op de balken.Alle balken bezweken op dwars-kracht in de zone tussen de punt-last en het dichtst bij gelegensteunpunt. De laagste bezwijklastwerd behaald voor de balk zonderdwarskrachtwapening. De driebalken met dwarskrachtwapeningvertoonden bezwijklasten vandezelfde grootte-orde. De grootstebezwijklast werd behaald voor debalk met een vezelgehalte van 40kg/m3. De balk met een vezelge-halte van 60 kg/m3vertoonde delaagste bezwijklast van de balkenmet dwarskrachtwapening. Hetbeton van deze balk vertoondeechter ook de laagste druksterkte.Figuur 5 toont een zijaanzicht vande vier balken na bezwijken. Bijde balken zonder staalvezels tradde eerste dwarskrachtscheur op inde linker bovenhoek van de lijf-plaat. Volgende scheuren bij hoge-re lasten traden steeds lager in delijfplaat op. Bij balk 2 met beugelstraden bij een last van 550 kNplots verschillende evenwijdigescheuren gelijktijdig op.Bij de balken uit staalvezelbetonverliep de vorming van de dwars-krachtscheuren totaal anders. Deeerste dwarskrachtscheur trad veellager in de lijfplaat op dan bij debalken zonder staalvezels. Bijko-mende scheuren bij hogere waar-den van de last traden hoger in delijfplaat op.De buigingsscheuren liepen bijbalk 2 veel hoger in de lijfplaatdoor dan bij de balken 3 en 4 metstaalvezels. Tot een last van onge-veer 400 kN vertoonden alle bal-ken ongeveer dezelfde verticaleverplaatsingen. Voor hogere last-waarden waren de verticale ver-plaatsingen van de balken zonderstaalvezels hoger dan deze van debalken met staalvezels.C o n c l u s i e sBelastingsproeven hebben aange-toond dat het onder bepaaldeomstandigheden mogelijk is traditi-onele beugelwapening te vervangendoor staalvezelbeton om dwars-krachten op te nemen bij geprefa-briceerde voorgespannen balken.Verder werd aangetoond dat hogerestaalvezelgehaltes niet noodzakelijktot een betere dwarskrachtcapaciteitleiden. Dit laatste is vermoedelijk tewijten aan de lagere verwerkbaar-heid en een minder goede verdich-ting van staalvezelbeton met hogevezelgehaltes. Wanneer staalvezel-beton wordt gebruikt bij de produc-tie van constructieve betonelemen-ten, moet de nodige aandacht wor-den geschonken aan het mengsel-ontwerp, de mengprocedure en destort- en verdichtingsprocedures. n5 |Zijaanzicht balken nabezwijken