I I I_BE_RE_KE_N_IN_G_~~~TEMPERATUURINVLOEDOP DESTIJFHEID VANTREKSTAVENVAN GEWAPEND BETONir.AJ.Wubs, IBBC-TNO'Bij .de opslag van wartne vloeistoffen in betonnen tanks tredentemperatuurverschillen op tussen .de onderdelen van deze constructies en over dedikte van deze onder.delen. Deze temperatuurverschillen kunnen scheurvorming totgevolg hebben. Er is veel onderzoek gedaan naar het effect vantemperatuurverhoging op de eigenschappen van op druk. belast beton. In dit artikelwordt een kort verslag gegeven vaneen eXJ?erimenteel onderzoek naar de effectenvan temperatuurverhoging op de stijfheid (scheurvorming en kruip) van trekstavenvan gewapend beton.OfEshoreconstructies die in dejaren zeventig werden ge-bouwd voor oliewinning opde Noordzee, dienden in een aantal ge-vallen ook als opslagtanks voor olie. Deolie, die bij de opslag een temperatuurheeft van circa 35 ? 45 ?C, veroorzaakttemperatuurverschillen in de construc-tie; door het statisch onbepaalde karak-ter ervan ontstaan extra spanningen. Uitlineair-elastische berekeningen werdafgeleid wat de maximale olietempe-ratuur mocht zijn om scheurvorming tevoorkomen, danwel om de scheutwijd-te te beperken. Op basis hiervan werdvervolgens devereistekoelcapaciteitbe-rekend.Uit onderzoek in het kader van het'Concrete in the Oceans'-programma[1] bleek, dat indien een bepaald tempe~ratuurverschil over een wand werd aan-gebracht, het momentdat nodigwas omde vervorming te belemmeren, mindergroot was dan op grond van een lineair~elastische berekening moest wordenverwacht. Dientengevolge trad ookscheurvorming minder snel en in gerin-gere mate op dan werd verwacht.In een aantalonderzoekprogramma's isnagegaan Wat het effect van tempera-tuurverhoging is op de eigenschappenvan op druk belast beton. Het bleek datkruip en relaxatie onder deze omstan~digheden groter waren danwerd veron-dersteld. Als gevolg hiervan zal mindersnel een gesteld criterium (geen scheu-ren ofeen beperkte scheurwijdte) wor-den overschreden en daarom kan hetCement 1990 nr. 2toelaatbare temperatuurverschil overeen constructiedeel groter zijn dan aan~vankelijkwerdgesteld. Dit houdt in, datvoor opslagtanks voor warme olie inoffshoreconstructies minder koelcapa-citeit behoeft te worden ge?nstalleerd.De hiervoor geschetste problematiektreedt in het algemeen op bij opslag-tanks voor warme vloeistoffen, waar~door de resultaten van het onderzoekdaarom van algemener belang zijn danalleen voor offshoreconstructies.Totvoor kort werd weinig aandacht be-steed aan de effecten van temperatuur-verhoging op beton dat op trek is belast,hetgeen bleek uit een literatuurstudie[2]. Na deliteratuurstudieis experimen-teel onderzoek uitgevoerd naar de in-vloed die een verhoogde temperatuurheeft op de rekstijfheid van betonnentrekstaven. Voor een volledig verslaghiervan wordt verwezen naar [3].Opzet van het experimentele on-derzoekProe.fstukkenHet experimentele onderzoek, waarbijde kracht-verlengingsrelatie werd vast-gesteld, werd uitgevoerd op twee proef-stukken (trekstaven van gewapend be-ton). E?n proefstuk werd beproefd inwater van 20 ?C en het andere in watervan 65 oe. De trekstaven hadden eenlengte van 1800 mm en een vierkantedwarsdoorsnede van 210 x 210 mm2(fig. 1). Elke trekstaaf had ??n centralewapeningsstaaf 0 32 mm, FeB400 HW De sterkteklasse bedroegB 45. Het wapeningspercentage werdzodanig gekozen, dat dit het gemiddel-de was tussen het percentage dat in detrekzone in balken wordt toegepast enhet percentage van circa 3% dat in trek-staven voorkomt.Bij de startvanhet onderzoekhaddendeproefstukken een ouderdomvan 15 da-gen.MetingenAan elk proefstuk werd het volgendegemeten:- temperatuurverdeling over eendwarsdoorsnede;- verlenging van de trekstaaf, gemetenaan het oppervlak;- rekken in de wapeningsstaaf 0 32mmoIn de figuren 2a en 2b is aangegeven opwelke plaatsen werd gemeten. De tem-peratuurmetingen dienden om te con-troleren of een proefstuk de gewenstetemperatuur had.De rekstroolges zijn alleen in.de boven-'Namens CUR-onderzoekcomrnissie B 30'Duurzaamheid van betonnen offshoreconstructies'.Het in opdracht van de CUR doorlliBC-TNO uitgevoerde onderzoek vormteen onderdeel van het onderzoekprogramma'Duurzaamheid van betonnen offshoreconstructies' uit het Marien TechnologischSpeurwerk (MaTS) van de Industri?le Raadvoor de Oceanolog?e (IRO).Het onderzoek werd begeleid doorwerkgroep I 'Gedrag bij therm?schebelasting' van subcomm?ssie B 30A'Materiaalgedrag beton'.13IBEREKENING"'5b1-rekstrookjex-thermokoppel(maten inmm)rekstrookjesdwarsdoorsnedeover de staaf'" 32mm11 ~i112 30'"Ix x XfTl o~I4r~~~li.~~- ~2~0fTl~ 70....0la '"$, 90 0I 0 0~ '"110I0~~11i0~X112 - I--1i'--"._.--l-.~.-aooNo'"fTlo~ -(maten in mm):--+"--~-j. _.-4--f--'-j--?~+2-+?j-t"'"--i-+---?-5--?-~?_?~1-(maten in mm)gfTl"'5Jj1 Afmetingen proefstuk 2 Meetpuntena. verplaatsingsopnel11ers b. rekstrookjes en ther=okoppels3 Belastingscydi na het scheuren4 Kracht-verlengingsrelaties vanproefstukken 1 en 2 bij hetscheuren(trekkra?ht)tmfftr I ,......,1 2 3 4\ste helft van het proefstuk aangebracht,met een concentratie ter plaatse van eendoorsnede waar rondom in het betoneen groef was aangebracht. Door dezegroefwerd verzekerd dat bij het opvoe-renvan de trekkracht in de staaf, in dezedoorsnede de eerste scheur zou ont-staan.BeproevingsprogrammaDe proefstukken waren verticaal opge-steld in een frame. De feitelijke (beton-nen) trekstaven bevonden zich in eendoorzichtig reservoir, dat met (lei-ding)waterwas gevuld. De trekkrachtenwerden op de eindenvan dewapenings-staven uitgeoefend.maximale trekkracht was.gelijk aandat waarbij de eerste scheur in eenproefstuk ontstond.ProefresultatenScheuren van deproefstukkenVoor het laten ontstaan van de eerstescheurin de proefstukkenwerd de trek-kracht geleidelijk opgevoerd. In beideproefstukken ontstond de eerste scheurter plaatevan de groefbij een trekkrachtvan 134 kN. Na het ontstaan van descheur werd de belasting geleidelijk af-gelaten. In figuur 4 is de kracht-verlen-gingsrelatie, over de totale meetlengtevan 1400 mm, weergegeven.izN?ro 5 10 20 40tijd (dagen)~400AL 110-lmm)-7JOO200100- - - ;-7 - , pr..f$t k I T: 200(/- -/j /-_.- , pr??f$l k 2 T=20"(/1 /;//,Ij /V////I ///// /1/1/ V ///I /1////1 //oo20406080100z-'":z:120Het gehanteerde beproevingsschemabestond uit de volgende stappen:- het opvoeren van de trekkrachten opde proefstukken vanaf 0 kN tot detrekkracht waarbij de eerste scheur inde proefstukken ontstond. Beideproefstukkenbevondenzichindit sta-dium in water van 20?C;- het verwarmen van ??n proefstuk(hierna als proefstuk 1 aangeduid) tot65 ?c, via verwarming van het waterwaarin dit proefstuk stond. Geduren-de het verdere verloop werd hetwaterop een constante temperatuur van65?C gehouden;- het herhaald belastenenontlastenvande proefstukken zoals in figuur 3 isweergegeven. Het niveau van de14 Cement 1990 nr. 2T= ZOO(I:N d9 kN2: Nd9kNJ: N,129 kN4: N,IJ4 kN5: Nd9kNproefsluk IT= 65?(40 45tijd (dagenl--'?J5BOD 900afstand vanaf kop (mm) -'-----?10JO- - - , onUaslon60025\"\20\400I9,oof- ,bola,lon2J'56789/4152001012 rokslrooknummo,t--j-r---'----r----.--".---t-H--r-t-tr-l~_r---t---r_-_+_cvclus I cvdus 2 cvc s J cvc us , Io~=::::~===:?:j::~==~=~==I====E:::::=:::J==~ -oj1000IC>~800 ,J'600q,400200 I 5'.00Ikop5 Rekken in de wapeningsstaafvanproefstuk 1 voor en na hetscheuren-5. 500 l+---+-H---+-++---+---+t-I-:--+--~I__--+_-_+Iai1::: 400H----'H-t----tt+----j----ttt--~1__--+_--_t_--__\jfE~ .-....------ \ [-.: Joot-!--_-=--4,-1HL"'-----c--:::::-::::l.,,~'!-~-~----=-=-+-:=--=.=---.:----i:~-+-J;'-~---+----f----+-~~._.-.-_-'.~H" 92. 100CmT~=-f J--i :-----_.- -'~'''''''-'r l~?---'-?--'-?--?-?_---?-?-?-? \! \: \ I \ / ' proefstuk 22 0' 1 , 11 I I0: \ f 11 t T= zoor\1 i100 t---_-+---__+_---+----I---il-:--+---+-----:iDe gemeten rekken in de wapemngs-staafvan proefstuk 1zijnvoor eenaantalwaardenvande trekkrachtweergegevenin figuur 5. Uit deze figuur blijkt hetvolgende:- de maximale rek in de staafter plaatsevan de scheur bedroeg 772 flrnlm. Derek in de kale wapemngsstaaf (terplaatse van rekstrook 1) bedroeg bijdezelfde trekkracht 838 flrnlm. Ditbetekentdatofde scheur nog metvol-ledig was ontwikkeld of het scheur-vlak met samenviel met ??n van derekstroken;- de overdrachtslengte, dit is de afstandvan de scheur tot de plaats waar hetbeton en het staal weer volledig sa-menwerken, bedroeg circa 450 mm,hetgeen blijkt uit de lijnen 3 en 4 bijtrekkrachten van respectievelijk129 kN en 134 kN. Volgens de for-mule uit de CEB-FIP Model Code be-draagt de gemiddelde lengte van deaanhechtzone (~ 0verdrachts-lengte) 400 mm voor de hier gekozenproefstukken. De formule blijkt hiereen goede waarde te geven.De gemeten rekken in de wapenings-staafvan proefstuk 2 waren vrijwel het-zelfde als die van proefstuk 1.Belast?ngscycl? op de protifStukken na hetontstaan van de eerste scheurProefstuk 1Als nulstand van de metingen is de si-tuatie genomen waarin het proefstuknog onbelast was, v??r het ontstaan vande eerste scheur, met dien verstande datalle metingen na de temperatuurver-hoging tot 65?C zijn gecorrigeerd met1-:---------------------------------1 het effectvan de temperatuurverhoging6 Verlengingen van proefstukken 1en 2 tijdens de belastingscycli sec.Uit deze gegevens blijkt het volgende:Tijdens de duur van de constante be-lasting van 134 kN in een cyclus namde verlenging toe; dit duidt op kruip.Over alle cycli heen is de kruip minderduidelijk, omdat er na het aflaten vande belasting ook enige reversie is op-getreden.Eris eenafnamevan de snel-heid van verlengingstoename.De restverlenging (na het ontlastenvan het proefstuk) nam na elke belas-tingscyclus toe.- Verlengingen van het proefstukBij het opvoeren van de belasting aanhetbeginvan cyclus 1ontstond bij eentrekkracht van 130 kN een tweedescheur in het proefstuk, op circa1000 mm vanafhet bovenste kopvlak.De verlengingen, gemeten over eenlengtevan 1400 mm, zijnvoorde mar-kante punten van het belasting-tijd-diagram (fig. 3) als functie van de tijdweergegeven in figuur 6.N= 134kNT = 65?(11afstand vanaf kop (mm) ~BOD !OO10~_'/600400Ig,oef,;/2Jl5 6 7 8 ,20012 ,oblrooknurn..ort-+r----,,----r--.,---+-t-++--t-tT--+-'"--t---+---t----t-1. voor einde cyclus 12. voor einde cyclus 23. voor einde cyclus 34. voor einde cyclus 47 Rekken in de wapeningsstaafvanproefstuk 1 voor be?indiging vande belastingscycliJ10001'f~:; 800~60040020000tkopCement 1990 nr. 2 15___________I_B_E_RE_KE__N_I_N_G _N= 134 kNT = 200(8 Rekken in de wapeningsstaafvanproefstuk 2 voor be?indiging vande belastingscyclio. na ontstaan eerste scheur1. voor einde cyclus 12. voor einde cyclus 23. voor einde cyclus 34?.voor einde cyclus 4t 2 ) 4 5 6 7 10 11 12 "kslroollnummerf 1000 t--+r---r---'---~-rt-trr-tr""-r----1---r--r-----i-?.x:~ 100 -I-~~---jf---+--~+--I-t-+-lr.1f--H-+--I---I-~---jf--~-+ot,~\ .600 -I--+l-~--l---+-~-t---HH-+-t-+f"t-+--"--l----t----l---+'~"~400 +-+t-~---J~--+---+--+-t++-1i--1I+-~:"ltd---+----l~---l-"'~200 t--+t-----jf---+---t---I-t-++-I---jH-H--+~~~=__I---l--~'==- '----"" 1,2,3ooIkop200 400tgro.1600 100 900afstand vanaf kop (mm)~- Rekken in de wapeningsstaafDe rekken in de wapeningsstaafwer-den beschouwd aan het einde van eenperiode van constante belasting. Dit isweergegevenin figuur 3 op t ~ 4,9, 19en 39 dagen.De rekken in het gebied tussen descheuren namen bij elke volgende cy-clus af(fig. 7).Bij het einde van devier-de belastingscyclus bleek dat een aan-tal rekstrookjes onbetrouwbare waar~den gaf. Het ontlenen van conclusiesaan het rekverloop is daarom achter-wege gelaten.De rekkengemeten tijdensde cycli 1, 2en 3 verschilden nauwelijks.Halverwege tussen de twee scheurenzou op grond van kruip een toenamevan de rekken mogen worden ver-wacht. De versnelde doorgaande ver-hardingzal dit effectechter tegenwer-ken. Daar het rekverloop aan het eindevan cyclus 3 praktisch samenvalt metdat van cyclus 2, is kennelijk de kruipzeer gering.Proefstuk 2Als nulstand van de metingen is de si-tuatie genomen waarin het proefstuknog onbelast was, v??r het ontstaan vande eerste scheur. In tegenstelling totproefstuk 1 trad bij proefstuk 2 geentweede scheur op.- Verlengingen van het proefstukDe verlengingen van proefstuk 2 zijneveneensin figuur 6getekend.Evenalsbij proefstuk 1 bedroeg de maximaletrekkracht 134 kN. Uit de metingenblijkt het volgende.Bij alle vier cycli bleek dat de verlen-gingen tijdens de duur van de con-stante belasting in een cyclus toena-men. Evenals bij proefstuk 1nam ookbij proefstuk 2de resrverlenging na el-ke cyclus toe.- Rekken in de wapeningsstaafDe rekken aan het einde van de duur16van de constante belasting per cyclus,zijn in figuur 8 getekend. Met uitzon-deringvan de rekken terplaatsevan descheur bleven de rekken tijdens deeerste drie belastingscycli nagenoeggelijk. Daaromis alleen ter plaatse vande scheur het rekverloop voor allecycli getekend. Het rekverloop voorcyclus 4 is in zijn geheel getekend.Vergelijking van de resultaten~ Verlengingen van de proefstavenHet bleek, dat tijdens de duur van deconstante belasting in een cyclus,proefstuk 1in de cycli 2 en 3 een gro-tere lengtetoename te zien gaf danproefstuk 2.Tijdensde cycli 1en 4wasditjuist andersom.Een uniform en duidelijk beeld valthieruit niet afte leiden als het gaat omde temperatuurinvloed op het stijf-heidsgedrag van de proefstukken.In figuur 6 is ook de lengtetoenameaangegeven tussen het begin van cy-clus 1 en het eind bij cyclus 4. Dewaarden zijn genomen direct na hetopvoeren van de belasting tot 134 kNbij cyclus 1, respectievelijk vlak voorhet ontlasten bij cyclus 4. Hieruitblijkt voor proefstuk 1 een .lengte-toename van 67 x 10-6m en voorproefstuk 2 een toename van92 x 10-6m. Dit verschil toont aandat proefstuk 1 (65?C) een kleinerekruipvervorming heeft ondergaandanproefstuk 2(20 ?C).Alleendeaan-wezigheid van twee scheuren inproefstuk 1en ??nscheurin proefstuk2 maakt dat er een groot verschil instijfheid is tussen beide proefstukken.- Rekken in de wapeningsstavenBij een eerdere beschouwing van derekken is al opgemerkt dat kruip geenrol van betekenis speelt. Een vergelij-king van het verschil tussende rekkengemeten aan het einde van cyclus 3 enaan het einde van cyclus 1 (beide v??rhet ontlasten) laat zien, dat de wape-ningsstaaf in proefstuk 2 meer ver-lengt dan die in proefstuk 1 en datproefstuk 1 dus zeker niet meer ver-lengt dan proefstuk 2. Bij proefstuk 1is er schijnbaar sprake van een verkor-ting. In feite moet dit worden toege-schreven aan de meetonnauwkeurig':'heid van de rekstrookjes. Hieruit kanworden geconcludeerd dat de groottevan de kruip dus geringis. De resulta-ten van de rekstrookrnetingen en deverlengingsmetingen zijn getalsmatigniet met elkaar te rijmen. Wel ver-toonden de beide typen metingen de~zelfde tendens, namelijk dat hetkruipgedrag van een proefstuk nietduidelijk wordt be?nvloed door eentemperatuurverhoging.Eris nogopeenandere maniernagegaanof de temperatuurverhoging invloedheeft gehad op de kruipverlenging. Bijdeze beschouwing is er vanuit gegaandat de kruipverlenging van op trek be-last beton lineair varieert met de directoptredende betonrek. Bij geringe rek-ken, zoals hier het geval is, is deze varia-tie ook lineair met de betontrekspan-ning direct na het aanbrengen van debelasting.Aangenomen is dat bij de onderhavigeproefstukken, die onder water zijn be-waard en beproefd, geen krimpverkor-ting is opgetreden.De gemeten direct optredende rekkenin de wapeningsstaven van de proef-stukken 1en 2zijnin de figuren 9aen9bgetekend. Voor die gedeeltenvan de sta-ven waarin geenrekstrookjes zaten, zijnde rekverlopen zo goed mogelijk afge-leid c.q. samengesteld uit de verlopen inde staafgedeeltenwaarinwel rekstrook~jes zaten. De rekken in de kale wape-ningsstaven bedroegen 838 x 10-6inproefstuk 1 en 833 x 10-6in proefstuk 2.De gearceerde oppervlakken 01 en O2in de figuren zijn een maat voor de teverwachten kruipverlengingen over demeetlengte van 1400 mmo Indien eenCement 1990 nr. 29 Rekken in de wapeningsstaafvanproefStukken 1 en 2 na begin vancyclus 1a. proefstuk 1b.proefstuk 2* 0,2m >Itscheur1,40 m (meetlengte verplaatsingsopnemers 1j!l"\!::~,;,~800g;;:; 600400 II200 III0tscheura.?of 800g;;:; 6004002000tscheurb.IE 02m*temperatuurverhoging dekruipverlen-ging bevordert, moet proefstuk 1 eenkruipverlenging hebben die groter isdan:temperatuurverhoging tot 65?C geenbetekenis heeftvoor de praktische bere-kening van het stijfheidsgedrag.daar alle overige parameters voor beideproefstukken gelijk zijn.A12 is de gemeten kruipverlenging vanstaaf 2.Opgemerkt wordt dat de hiervoor ver-melde uitdrukking alleen geldt voor dekruipverlenging van het op trek belastebeton en nietvoor de verlenging ten ge-volge van de kruip in de aanhechtings-zone.Door bepaling van de oppervlakken Olen O2 wordt gevonden:Literatuurl.ClarkeJ.L. en R.M.Symmons,Effect oftemperature gradients on walls of oilstorage structures. Concrete in the oce-ans, technical report nr. 3, chapter 4,1979.2. Wubs, Al, Literatuuronderzoek be-treffende de stijfheid van en scheurvor-ming in onderdelen van offshorecon~structies bestemd voor de opslag vanwarme olie (RV24.1). IBBC-TNO, rap-port B-83-663/62.4.8006, 1984.3.Wubs, Al,Destijfheid van enscheur~vorming in onderdelen van offshore-constructies bestemd voor de opslagvanwarme olie; onderzoek naar trekstavenvan beton. IBBC-TNO, rapport B-87~354/62.8.1200, 1988.De kruipverlengingvan proefstuk 1zoudus significant groter moeten zijn dan0,75 x 92 x 10"6 m ~ 69 x 10-6 m.Gemeten is een kruipverlenging van67 x 10-6 m.Dit houdt in dat er geen invloed geme-ten is van een temperatuurverhoging opzowel hetkruipgedragvan op trekbelastbetonals op hetkruipgedragvande aan-hechtingszone.ConclusieUit zowel de verlengingsmetingen alsde gemeten rekken blijkt, dat het stijf-heidsgedrag van een betonnen trekstaafdie is beproefd in water van 65?C, nietafwijkt van het stijfheidsgedrag van eenbetonnen trekstaaf die is beproefd inwater van 20 oe. Hieruit volgt dat eenCement 1990 nr. 2 17