O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRegelgevingcement 2002 4 81Versterken van betonconstructiesdoor er uitwendig staalplaten te-genaan te lijmen is een techniekdie al vanaf de jaren zestig wordttoegepast. Nadat in de jarentachtig met name de mogelijkhe-den van vezelversterkte kunst-stoffen als wapenings- en voor-spanelementen werden onder-zocht, bleken de kansen voor dezematerialen in de daaropvolgendejaren vooral te liggen bij de toe-passing als uitwendig gelijmdewapening. Met name door de re-latief eenvoudige uitvoering blijktdeze techniek in veel gevallen nietalleen technisch maar ook econo-misch haalbaar te zijn. Wereld-wijd is sprake van een enormsterke toename van het aantal toe-passingen, waarbij tot nu toemeestal elementen op basis vankoolstofvezels worden toegepast.Ook in Nederland bestaat grotebelangstelling en diverse toepas-singen zijn gerealiseerd. Dezetechniekbiedtookzeergoedemo-gelijkheden bij verbouwing, het-geentenopzichtevannieuwbouween steeds belangrijkere plaatsinneemt. Voorbeelden zijn hetmaken van openingen in vloerenvoor een vide of liftschacht en hetaanpassen van de originele draag-constructie. Tot slot wordt verwe-zen naar het artikel over onder-houd van de A 10-west, elders indit nummer.Tot voor kort waren er geen alge-mene richtlijnen voor de bere-kening en uitvoering van con-structies met uitwendig gelijmdekoolstofvezelwapening. Men wasaangewezen op de informatie vandeleverancier.Indepraktijkblijktvaak dat het ontbreken van regel-geving aanleiding geeft tot terug-houdendheid bij o.a. opdracht-gevers, constructeurs en toezicht-houdendeinstanties.Methetdoelmogelijke belemmeringen voortoepassing weg te nemen en tekomen tot een uniforme aanpakin Nederland is CUR-Aanbeve-ling 91 opgesteld. Internationaalhebben de werkzaamheden pa-Versterken met uitwendig gelijmde koolstofvezelwapeningToelichting bijCUR-Aanbeveling 91prof.dr.ir. D.A. Hordijk, Adviesbureau ir. J.G. Hageman B.V. en Technische Universiteit Eindhovenir. J. Niemantsverdriet, Witteveen+Bos Raadgevende ingenieursE?n van de twee redactionele bijlagen bij dit nummer van Cement is CUR-Aanbeveling 91 `Versterken van gewapende betonconstructies met uitwendiggelijmde koolstofvezelwapening'. De Aanbeveling is opgesteld door CUR-onderzoekcommissie C97B. Voornoemde auteurs zijn respectievelijk rappor-teur en voorzitter van de commissie. In dit artikel wordt ingegaan op een aan-tal achtergronden.Aanbrengen koolstof-vezellamellenfoto: Sika BVO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRegelgevingcement 2002 482rallelgelopenaanhetwerkvanfib-commissie TG 9.3, waarin ookenkele leden van de CUR-com-missie participeerden. Voor deCUR-Aanbeveling is in belangrij-ke mate gebruik gemaakt van fib-bulletin 14 [1], alsmede van hetwerk van Matthys [2].T o e p a s s i n g s g e b i e dVersterken van betonconstructiesmet uitwendig gelijmde kunst-stofwapening kan op vele manie-ren en met verschillende soortenkunststoffen worden uitgevoerd.Gekozen is voor beperking vanhettoepassingsgebiedvandeAan-beveling tot het versterken van ge-wapende betonconstructies voor demechanismen buiging en dwars-kracht met producten op basis vankoolstofvezels. De reden is dat hier-voor internationaal de meestekennisenervaringbeschikbaaris,terwijl het naar verwachting opkorte termijn voldoende openin-gen biedt voor praktijktoepassin-gen. Veel bepalingen zullen ookvan toepassing kunnen zijn voorhet versterken met staalplaten ofmet vezelversterkte kunststoffenop basis van aramide- of glasve-zels of voor het versterken vanvoorgespannen betonconstruc-ties. Het feit dat die toepassingenniet zijn opgenomen in de Aan-beveling hoeft natuurlijk nog niette betekenen dat ze technisch nietverantwoord zijn. Het betekentalleen dat daarvoor de Aanbeve-ling niet zonder meer kan wordentoegepast en dat goed moet wor-den nagegaan in hoeverre de be-palingen ook voor die toepassinggelden.Een andere beperking in het toe-passingsgebied heeft te makenmet de kans op uitvallen van deversterking door bijvoorbeeldbrand of vandalisme. Door de eiste stellen dat de constructie de be-lastingenmetparti?leveiligheids-factoren gelijk aan 1,0 moetkunnen dragen na uitvallen vande versterking, behoeven hiervoorgeen extra maatregelen te wordengetroffen. Als gevolg hiervan is demate waarin de betonconstructiekan worden versterkt, wel be-perkt.E v a l u a t i e n a d r i e j a a rGezien het feit dat het om eenjonge innovatieve techniek gaat,waarvoor modellen nog in ont-wikkeling zijn, acht de CUR-com-missie het bijzonder belangrijkom na een korte gebruiksperiode,waarin ervaring wordt opgedaan,de Aanbeveling te evalueren enzonodig te herzien. Dat biedttevens de mogelijkheid om, af-hankelijk van de vraag vanuit depraktijk, te bezien of het verant-woord is het toepassingsgebieduit te breiden. De ontwikkelingengaan zo snel dat zich naar ver-wachting ook nieuwe techniekenzullen aandienen. Als voorbeeldkanalwordengewezenophettoe-passen van voorgespannen uit-wendig gelijmde koolstofelemen-ten, zoals dat sinds kort ook mo-gelijk is.B e o o r d e l i n g v a n d e t ev e r s t e r k e n b e t o n -c o n s t r u c t i eZeer belangrijk is dat een beton-constructie vooraf wordt beoor-deeld op de geschiktheid voorde beoogde versterking, waarbijaandacht moet worden besteedaan aspecten als hechtsterkte eneventueel aanwezige schades. Devraag hoe kan worden gewaar-borgd dat een dergelijke beoorde-ling deskundig wordt uitgevoerden dat het aanbrengen van dekoolstofvezelwapeningopeencor-recte wijze geschiedt, is vele ma-len in de commissievergaderin-gen aan de orde geweest. Oftewel,hoe voorkom je dat een willekeu-rig persoon/bedrijf ergens eenkoolstofstrip en wat lijm koopt envervolgens, zonder de constructiegoed te inspecteren, deze tech-niek toepast.Allereerst zijn er natuurlijk de be-palingen in de CUR-Aanbeveling.Maar meer in het bijzonder is deeis opgenomen dat de uitvoeringmoet geschieden door bedrijvenenpersonendiezijngecertificeerdvoor handreparaties en spuit-beton, conform BRL 3201/02. Deeis om gecertificeerd te zijn voorspuitbetonlijktwellichtonlogisch.De commissie oordeelde hetechter wenselijk om dit op te ne-men. Hiermee wordt bereikt datalleen bedrijven, die deskundig-heid hebben op het gebied vanbeoordeling en reparatie van be-tonconstructies, deze techniekmogen toepassen.M a t e r i a l e nEr zijn verschillende verschij-ningsvormen voor koolstofwa-peningselementen. Onderscheidkan worden gemaakt tussen ge-prefabriceerde systemen (strip-pen, lamellen) en ter-plaatse-uit-hardende systemen (weefsels,matjes). Bij geprefabriceerde ele-menten, geproduceerd via eenpultrusie-proces, liggen de door-Aandrukken van de lamellentegen de constructieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRegelgevingcement 2002 4 83gaande vezels parallel in ??n rich-ting.De eigenschappen van de kool-stofvezelszelfkunnenpertypeva-ri?ren. Onderscheid wordt welgemaakt tussen koolstofvezelsmet een hoge treksterkte en kool-stofvezels met een hoge elastici-teitsmodulus [1]. Ter indicatie, detreksterkte van koolstofvezels kanzelfs een waarde van ongeveer5000 N/mm2bereiken. Omdat deeigenschappen van geprefabri-ceerde strippen veelal worden be-trokken op de totale doorsnede(vezels plus epoxyhars waarindeze zijn gebed) speelt het vezel-percentage hierbij een belangrij-ke rol. Veelal bevindt dit percen-tagezichinderangevanongeveer50 tot 70%. Ter illustratie kunnende volgende materiaaleigenschap-pen voor geprefabriceerde strip-pen [1] worden genoemd:Elasticiteits-modulus: 170.000 N/mm2Treksterkte: 2800 N/mm2Breukrek: 1,6 %Nadrukkelijkwordteropgewezendat de werkelijke eigenschappenvan het toegepaste systeem doorde leverancier verstrekt moetenworden. Kenmerkend voor vezel-versterkte kunststoffen is het eenbij benadering lineair spanning-rekverloop tot aan de breuk. Er issprake van een bros bezwijkge-drag.D i m e n s i o n e r i n gBij het ontwerpen van een ver-sterking met uitwendige kool-stofvezelwapening moet bedachtworden dat door de geringe af-metingen van de koolstofwape-ning de stijfheid van de construc-tie in de bruikbaarheidsgrens-toestand slechts in beperkte matetoeneemt. Als het toepassen vande versterking gepaard gaat meteen belastingtoename dan zal alsnel de gebruikstoestand (vervor-ming) maatgevend kunnen zijn.Aanbrengen van extra koolstof-wapening kan dan worden afge-wogen tegen andere vormen vanversterken, zoals versterken metstalen strippen. Gesteld kan wor-den dat in onderzoeken de aan-dacht tot voor kort hoofdzakelijkwas gericht op de uiterste grens-toestand. In de CUR-Aanbevelinghebbendemeestebepalingenookdaarop betrekking.Het belang van de bruikbaar-heidsgrenstoestand (doorbuiging,scheurvorming en toelaatbarespanning in het betonstaal) wordtnu steeds meer onderkend. In deAanbeveling is voor doorbuigingen scheurvorming op een prag-matische wijze aangesloten op dewijze waarop de VBC 1995 [3]hiermee omgaat. Naar verwach-ting is dit conservatief en zou nogverderontwikkeldkunnenworden.De spanning in het inwendige be-tonstaal mag in de bruikbaar-heidsgrenstoestand niet groterzijn dan de rekenwaarde van devloeispanning.Voor de dimensionering van dekoolstofversterking kan gebruikworden gemaakt van een door-snedeberekening, zoals dat voorconstructiefbetonvolgensdeVBC1995 ook wordt gedaan. Hierbijmoet uiteraard rekening wordengehoudenmetdeiniti?lerekinhetbeton ten tijde van het aanbren-genvandekoolstofvezelwapening.Voor de gekozen koolstofvezel-wapening (doorsnede en lengte)moet worden nagegaan of aan deverschillende toetsen met betrek-king tot onthechting en bruik-baarheidsgrenstoestandwordtvol-daan. Door aan de hoogte van debetondrukzone dezelfde eis testellen als in de VBC 1995 wordtbereikt dat er toch voldoendewaarschuwend vermogen is, on-danks het brosse karakter van deverschillende bezwijkmechanis-men (onthechting, breuk van dekoolstofwapening en betondruk-bezwijken).In de praktijk zal de sterkte van dekoolstofwapening vrijwel nooitmaatgevend zijn. De uiterste rek(of spanning) die in de uiterstegrenstoestand in de koolstofve-zelwapening kan worden bereikt,is aanmerkelijk kleiner dan debreukrek. In de toelichting bij8.1.1. wordt daarom aanbevolenom bij de dimensionering uit tegaan van een startwaarde van0,5%. Afhankelijk van het resul-taat van de verschillende toetsenzal de berekening herhaald kun-nen worden met een hogere oflagere waarde voor de rek. Nor-maal zal echter de hoge sterktevan het materiaal niet kunnenworden benut, tenzij specialemaatregelen, zoals het toepassenvan speciale verankeringen, wor-den getroffen. Ook bij het toe-passen van een systeem van voor-gespannen uitwendig gelijmdekoolstofvezelwapening, waarophiervoor al is ingegaan, wordt detreksterkte optimaler benut.O n t h e c h t i n g s m e c h a n i s m e nHetmogeduidelijkzijndatdever-sterkingvaneenbetonconstructieDe versterkte constructieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRegelgevingcement 2002 484met uitwendig gelijmde koolstof-vezelwapening alleen functio-neert zolang er tussen beide ma-terialen een goede samenwerkingis. Er zijn theoretisch verschillen-de mechanismen die tot onthech-ting kunnen leiden. Internatio-naal is nog veel onderzoek gaandeop dit gebied en er is nog geen vol-ledige overeenstemming tussenonderzoekers. Volgens de CUR-Aanbeveling moeten vooralsnogvier verschillende onthechtings-mechanismen worden getoetst.De fysische modellen die hieraanten grondslag liggen hebben temaken met:? het gedrag bij dwarskracht-scheuren;? te hoge schuifspanningendoor een te snelle toenamevan de trekkracht in de kool-stofwapening;? dwarskrachtbreuk aan heteind van de verankering;? de verankeringslengte.Zonder verder in detail te treden,wordteropgewezendatdekracht,die aan het einde van de stripmaximaal kan worden verankerd,tenopzichtevandesterktevanhetmateriaal relatief klein is (ordevan grote van 50 kN voor een stripmet een doorsnede van 100 x 1,2mm2). Om ter plaatse van hetmaximale moment in de con-structie een aanmerkelijk groterekracht in de koolstofvezelwape-ning te kunnen mobiliseren,moet deze kracht zich over delengte van de strip, via schuif-spanningen, geleidelijk opbou-wen. Hiermee is er een wezenlijkverschil met betonstaalwapening,waar we werken met een veran-keringslengte die zodanig is datdezede maximalekrachtindewa-pening (vloeien) kan verankeren.U i t v o e r i n g s a s p e c t e nIn de Aanbeveling zijn ook velebepalingen opgenomen die temaken hebben met uitvoerings-aspecten. Waar moet het beton-oppervlak aan voldoen, onderwelke omgevingscondities magde versterking worden aange-bracht, welke voorbereiding vande oppervlakken is noodzakelijk,enz. De toe te passen lijm moetaan een aantal eisen voldoen. Alsde lijm daaraan voldoet en de uit-voering op een juiste wijze ge-schiedt dan zal meestal het betonvoor de te bereiken aanhecht-sterkte maatgevend zijn. Om deversterking toe te mogen passenis als ondergrens voor de hecht-sterkte een waarde van 1,5 N/mm2aangehouden.R e k e n v o o r b e e l d e nZoals vrijwel altijd, zijn ook in ditgeval de rekenregels opgesteld opbasis van experimentele resulta-ten. Op zich is dit een betrouw-bare procedure, maar of de re-kenregels in de praktijk ookhanteerbaar zijn en goed uitwer-ken, blijkt pas als ermee aan deslag wordt gegaan. Dit bleek ooktoen in november 2001 een cur-sus van de Stichting Post Acade-misch Onderwijs (PAO) in Delftwerd gehouden. Voor die cursus,welke in belangrijke mate werdverzorgd door leden van de com-missie, is op basis van een con-ceptversie voor de CUR-Aanbeve-ling een aantal cases uitgewerkt.Daarbij kwamen nog diversezaken aan het licht. Zo bleken ermet name nog vragen te zijn metbetrekking tot de versterking vooreen negatief steunpuntsmoment.De huidige rekenmodellen zijnhoofdzakelijk afgeleid van experi-mentenwaarbijeenversterkingistoegepast voor het veldmomentvan een statisch bepaalde balk ofplaat. De vraag of en hoe eenaantal van die modellen kunnenworden toegepast bij een steun-puntsversterking is in het fib-Bul-letin [1] ook nog onvoldoendebelicht en vraagt zeker om naderonderzoek. De rekenregels in deCUR-Aanbeveling voorzien hierwel in.Uit een aantal cases kwam naarvoren dat in veel gevallen de eisdat in de gebruikstoestand de in-wendige wapening niet mag vloei-en maatgevend was. Vaak ging ditgepaard met het tegelijkertijd ook(bijna) maatgevend zijn van ??nvan de onthechtingsmechanis-men. Op dit moment wordtgewerkt aan een achtergrondrap-port bij de CUR-Aanbeveling,waarin ook een rekenvoorbeeldzal zijn uitgewerkt.T o t b e s l u i tHet versterken van constructies(ook voor andere materialen danbeton) met vezelversterkte kunst-stoffenbiedtveleinteressantemo-gelijkheden en zal steeds vakertoegepast worden. Op 3 oktobera.s. wordt aan onderhavig onder-werp een studiemiddag gewijd.Naar verwachting zal deze Aan-beveling in de komende periodeveelvuldig gebruikt gaan worden,waarbij onduidelijkheden of an-dere vragen naar voren zullenkomen. Om hiervan gebruik tekunnen maken bij de beoogdeevaluatie na drie jaar, wordt hetbijzonder op prijs gesteld als der-gelijke bevindingen op papier aande Stichting CUR te Gouda ter be-schikking worden gesteld. L i t e r a t u u r :1. fib-bulletin 14, Externallybonded FRP reinforcementfor RC structures. fib-werk-groep 9.3 FRP (FibreReinforced Polymer) rein-forcement for concretestructures, maart 2001.2. Matthys, S., Constructiefgedrag en ontwerp vanbetonconstructies versterktmet uitwendig gelijmdevezelcomposietwapening.Proefschrift, UniversiteitGent, november 2000, 345 p.3. NEN 6720, Technischegrondslagen voor bouwcon-structies TGB 1990 ? Voor-schriften beton. Constructie-ve eisen en rekenmethoden(VBC 1995), inclusief wijzi-gingsblad A2, NNI, decem-ber 2001.