? ? onderzoek ? detailir.S.Mafthys, IWT-bursaal, Universiteit Gent, Laboratorium Magnel voor BetononderzoekDit artikelgaatin op detoepassingvan vezelcomposietlaminaten voor de uitwendigever-sterkingvan constructieve elementen. Aan de orde komen de voordelen van deze metho-de ten opzichte van opgelijmde staalplaten, de diversetypes composietlaminaten die terbeschikking staan en de aspecten die in acht genomen moeten worden bij het ontwerp.Aan de hand van onderzoek in het Laboratorium Magnelen van enkeletoepassingsvoor-beelden wordt het belang van deze nieuwe techniek aangetoond.VEZELCOMPOSIETLAMINATEN (I)UITWENDIGE VERSTERKING VAN CONSTRUCTIEVE BET?NELEMENTEN50In de meeste ge?ndustrialiseerde landen isde (weg- en water)bouwkundige infrastruc-tuur in belangrijke mate uitgebouwd. Het on"derhouden, herstellen en versterken van deconstructieve elementen hierin is dan ookvan groot belang en brengt jaarlijks belang"rijke investeringen met zich mee. De nood-zaak om bestaande constructies te herstel-len en te versterken isvooral aanwezig door:? verandering in gebruik zoals herbestem-ming van lokalen, toenemende belastingen frequentie van gebruik;? beschadiging door diverse factoren zoalsimpact-belasting, explosie, wapenings"corrosie, vriesschade;? strengere normen of ontwerprichtlijnen;? fouten bij ontwerp of uitvoering.Voor het herstellen en versterken van con-structieve elementen kan een aantal tech-nieken worden toegepast, naargelang despecifieke situatie en de aard van de con-structie. E?n van deze technieken,ontwik-keld in het midden van dejaren zestig [1] enuitgegroeid tot een effici?nte en wereldwijdtoegepaste methode, is uitwendige verster-king met opgelijmde staalplaten. Deze tech-niek werd recent metveel succes uitgebreidmet detoepassingvan vezelcomposietlami-naten in plaats van staalplaten als uitwendigopgelijmd versterkingsmiddel [2], en is in"middels wereldwijd al veel toegepast.Vezelcomposieten of 'fibre reinforcedpolymers'Sinds de ontwikkeling van lichte vezels methoge sterkte en stijfheid in de jaren veertigen aanvankelijk slechts toegepast binnende lucht- en ruimtevaart, hebben de vezel-composietmaterialen of'fibre reinforeed po-Iymers' (FRP) zich ontwikkeld tot een be-langrijke materialengroep in diverse secto"ren van de industrie, waaronder ook debouwindustrie. Het zijn sterke, dunne, conti-nue vezels van niet-metallische aard, inge-bed in een harsbinder.In de betonbouw is de toepassing van vezel-composieten, voornamelijk als constructie-ve wapening, het laatste decennium uitge-groeid tot ??n van de meest veelbelovendenieuwe technieken. Immers, uitgesprokenvoordelen zoals onder meer hoge axialesterkte, uitstekende corrosieweerstand enlage volumieke massa, maken deze FRP-materialen aantrekkelijk voor zowel gewa-pend, voorgespannen als uitwendig ver-sterkt beton [3 t.m. 6].In het geval van opgelijmde wapening, be-staan de FRP-elementen uit dunne platen oflaminaten met ongeveer 65% (VIV) aan ve-zels, in ??n richting geori?nteerd. Lamina-ten waarbij de vezels in twee of meer richtin-gen zijn ge?ri?nteerd, worden eveneens toe-gepast.Figuur 1 geeft het spanning-vervormingdia-gram van enkele laminaten ten opzichte vanstaal. Meestal wordt gebruikgemaakt vanCFRP-Iaminaten (FRP op basis van koolstof"vezel), doch ook laminaten op basis vanglasvezel (GFRP) of aramidevezel (AFRP)komen in principe in aanmerking (tabel 1).Vezelcomposietlaminaten versus staalDe toepassing van vezelcomposietlamina-ten in plaats van staal biedt, zowel qua uit-voering als qua constructief gedrag, moge-lijkheden tot een betere optimalisering vanuitwendige versterking met opgelijmde wa-pening. Deze optimalisering leidt bovendienin veel gevallen tot een reductie van de tota-le kostprijs, ondanks de hogere kostprijs vande meeste vezelcomposietmaterialen zelf,en wel om de volgende redenen:CEMENT1998j2? Laminaattypes 'fully cured' (links) en 'cured in s?tu' (rechts)Q) Spanning-vervormingdiagram van enkele laminaten en staala. CFRP-Iaminaatb. AFRP-Iaminaatc. GFRP-Iaminaatd. staalplaat7,06,05,04,03,0Cl/I,/II b // ~I ,fCdi7/----- ---- ---- --.-- ---V1,0 2,0--~) E (%)o0,0250500275025002250200017501500NE 1250E...... 1000z750brTabel 1Vergelijking van CFRP-, AFRP- en GFRP-Iaminaten [3}? Staalplaten dienen beschermd te wordentegen corrosie. Echter ontstaat dikwijls naverloop van tijd corrosie op het verlijmdestaaloppervlak, waardoor de composiet-werking tussen staalplaat en betonopper-vlak afneemt. FRP-materialen daarente-gen bezitten een goede corrosieweer-stand.? Door hun gewicht kunnen staalplaten en-kel in beperkte lengten worden toegepast(maximaal 6 ? 10 m) en zijn ze moeilijk tehanteren. Bij grotere lengten zijn voegennoodzakelijk, een teer puntin ontwerp enuitvoering. Bovendien is dikwijls een zwaresteiger nodig. De theoretisch in onbeperk-te lengten beschikbare FRP-Iaminatendaarentegen zijn bijzonder licht en flexibelin gebruik.? Verlijmde staalplaten onder druk hebbende neiging uitte knikken en daardoor lostekomen van het betonoppervlak. Dit pro-bleem treedt in mindere mate OP bij FRP.? FRP-materialen (voornamelijk CFRP) ge-dragen zich zeer goed onder wisselendebelasting.? Ook voorgespannen FRP-Iaminaten kun-nen worden verlijmd [7]. Hierdoor kunnenaanwezige trekspanningen, scheurope-ningen en doorbuigingen worden geredu-ceerd. Deze techniek is niet mogelijk bijstaalplaten.? FRP-Iaminaten zijn, naastvezelsoort en ve-zelrichting, in diverse types en systemenbeschikbaar, aangepast aan de te verster-ken constructie. In hoofdzaak worden dezogenaamde 'fully cured' (of prefab) en'cured in situ' (ofwet-Iayup) laminaten on-derscheiden (fig. 2). Een overzicht van debelangrijkste kenmerken van deze lamina-ten is weergegeven in tabel 2.Daarnaast bestaan er ook diverse speci-fieke technieken, onder meer geroboti-seerd omwikkelen van kolommen enschoorstenen, het gebruik van FRP-scha-lenin combinatie met expansieve mortelen het gebruik van 'prepreg' (pre"impreg-nated) laminaten die uitharden met be-hulp van verwarmingselementen.? De toepassing van FRP-Iaminaten is, meernog dan die van staalplaten, ook vanuites-thetisch oogpunt aantrekkelijk. Hun gerin-ge dikte heeft nagenoeg geen invloed opde vrije hoogte en na overschilderen zijn zebijna nietmeerte onderscheiden. Hetaan-brengen van extra afwerklagen (pleisterla-gen, spuitbeton) vormt bovendien geenprobleem.CEMENT1998j2 51? ? onderzoek ? detailTabe/2Types FRP-Iaminaten voor uitwendig verlijmenTabel 3Toepassing van vezelcomposietlaminaten52Versterking met FRP?laminaten: ontwerp[8]Bij het aanbrengen van opgelijmde wape-ning wordt extra trek- of drukwapening ge?n-troduceerd met het doel een constructie teversterken (groter draagvermogen of meerstijfheid). Deze methode wordttoegepast bijhet versterken van balken, platen, wandenen kolommen van onder meer bruggen engebouwen. Toepassing is ook mogelijk voorhet omwikkelen van schoorstenen of voorhet versterken van schalen en tunnelgewel-ven.Gezien het belang van een goede verlijming(composietwerking tussen de constructieen de opgelijmde wapening), dient de uit-voering en de daarmee gepaard gaandekwaliteitscontrole met grote zorg te wordenverricht. Het aanbrengen van de vezelcom-posietlaminaten dient te geschieden con-form tabel 3.Bij het ontwerpen dienen de volgende as-pecten te worden beschouwd:? ontwerpen van de versterkte constructiebij volledige composietwerking tussen op-gelijmde wapening en constructie;?? mogelijk verlies van composietwerking;? veiligheid bij accidenteel verlies van com-posietwerking;? bijkomende ontwerpaspecten.Ontwerpen van de versterkte constructieBij het ontwerpen van de versterkte con-structie wordt in eerste instantie uitgegaanvan een volledige composietwerking tussenopgelijmde wapening en constructie. Dit be-tekent dat klassieke berekeningen, bijvoor-beeld gebaseerd op compatibiliteit van ver-vormingen en krachtsevenwicht, in de ge-bruiksgrenstoestand en de uiterste grens-toestand toegepast kunnen worden, reke-ning houdend met het specifieke spanning-vervorminggedrag van de laminaten. Wordtals voorbeeld een gewapend"betonbalk be-schouwd, versterkt in buigingscapaciteit,dan kunnen er verschillende breukvormenoptreden, zie onder meer figuur 3. Indachtighet brosse breukgedrag van vezelcompo"sietlaminaten (geen plastische vervor-mingscapaciteit bij het bereiken van debreuk, zie fig. 1), zal een goed ontwerp over-eenstemmen met een uiterste grenstoe-stand waarbij na het vloeien van de wape-ning hetzij het beton verbrijzelt (bij voor-keur), hetzij laminaatbreuk optreedt. Een bij-komende versterkingvan de dwarskrachtca-paciteit van de versterkte balk kan daarbijnoodzakelijk blijken.CEMENT1998/2JJ\\concrete rip-offc(L. ! (I~qjjdLZ ( i I \? Krachtsoverdracht tussen laminaat enconstructiea. composietwerking tussen laminaat enbalk1. momentenlijn2. trekkracht in laminaat3. schuifspanningb. krachtswerkingen ter plaatse van lami-naatuiteindec. verankeringsbreuk@ Aanhechtingszonea. betonb. beton/epoxy-interfacec. epoxyd. epoxy/laminaat-interfacee. FRP-Iaminaat)l\\ar---., rSChU-if-spa-nn-'",-\-A-'lj1-----....1---~~-_--.-:;~-o:-:--' ~~-7 I