? ? materialen ? voorspanelementenprof.ir.W.R. de Sitter, Hollandsche Beton Groep nv, afdeling Group TechnologyArapree is een acroniem voor aramid prestressing element. Dit was de merknaam voorwapeningselementen met ronde of stripvormige doorsnede, die bestaan uitaramideve-zels, die in de lengterichting van het element gebundeld zijn ingebed in epoxyhars [1].Door HBG zijn vijf proefprojecten gemaakt waarin met Arapree voorgespannenelemen-ten van geprefabriceerd beton zijn toegepast. Dit artikel beschrijft de ervaringen met dieprojecten en geeft aan waarom, mede in verband hiermee, HBG de ontwikkeling heeftbe?indigd.ERVARINGENMETARAPREE KUNSTSTOFVOORSPANWAPENINGCD? Geluidscherm langs A2Toen HBGin 1980 in samenwerkingmetAK-ZO begon aan de ontwikkeling van spanele"menten voor voorgespannen beton op basisvan aramidevezels werd al snel duidelijk dat,betrokken op de treksterkte, Arapree rondtienmaal zoveel zou kosten als conventio-neel voorspanstaal. Waarom begon HBG erdan aan?Destijdswerd verondersteld dat de prijs vande vezels in tien jaar dramatisch zou dalen,naar analogie van nylon voor de nylonkous.Dat is nietgebeurd; wel zijn er koolstofvezelsop de markt gekomen van vergelijkbaresterkte en een belangrijk lager prijsniveaudan aramidevezels.Koolstofvezels kun jeechter nietzonder meertoepassen: veel on-derzoek naar duurzaamheid, kruip en re-laxatie zou moeten worden herhaald.Omdat het volume voorspanstaal in toepas-singen met voorgerekte wapening in ele-menten van geprefabriceerd beton met ver-ankeringop aanhechtingveel groteris dan intoepassingen met nagerekte wapening,werd de ontwikkeling van Arapree gericht opwapeningselementen voor toepassingenmet verankering op aanhechting in geprefa-briceerd beton.Naast de veronderstelde verlaging in prijsvan de aramidevezels, werd veronderstelddat enkelespeciale eigenschappen zoudenleiden tot min of meer nieuwe toepassingenin de bouwmarkt. Gedacht werd aan de uit-stekende mechanische eigenschappen bij-160 oe voor met Arapree omwikkelde op-slagtanks van LNG. Het niet electromagne"tisch zijn, zou elementen voortoepassing indefensieprojecten, waarbij radartranspa-rant zijn een rol speelt, mogelijk maken. Ver-der werd gedacht aan spoorwegdwarslig-gers [2]. De uitstekende vermoeiingseigen-schappen en de afwezigheid van zwerfstro-28 CEMENT1996/7/8men die moderne treinbegeleidingssyste"men kunnen storen, zouden hier voordeelkunnen brengen [2].VijfproefprojectenZodra dat mogelijk en technisch verant"woord was, zijn er vijf proefprojecten uitge"voerd.met echt hout te maken te hebben. Er werdeen loopbruggemaaktvoor de toegang naarde vistrap. In het loopvlak werden 'planken'van met Arapree voorgespannen beton toe-gepast. Deze planken zijn in den droge aanweer en wind, zonbestraling en spatwaterblootgesteld. De schotplanken bevindenzich in het water.00 Vistrap bij Alphen1. 1989: Geluidscherm langs de A2D bijSchiedam (foto's 1 en 2) [3]De stijlen zijn gemaakt van met Arapree"strippen voorgespannen beton. In de stijlenzitten sponningen voor de borstweringenvan geprefabriceerd beton en voor de trans"parante kunststof panelen. Aan de uitein"den van de stijlen zijn beugels van Arapree"strippen toegepast om de splijtspanningenbij de verankeringszones op te nemen. Bo"vendien is de aanhechting van de Arapree bijde uiteinden over 50 mm verbroken door destrippen met tape te omwikkelen. Door opdeze wijze de verankeringszone over 50 mrnte v~rschuiven, is een grotere betondoor"snede beSChikbaar om splijtspanningen opte nemen. Later bleek dat de omwikkelingmettape vermoedelijk ook gunstig heeft ge"werkt doordat de tape een beetje meegeeften aldus ruimte geeft voor temperatuuruit"zetting van de strippen bij de uiteinden.2. 1986: Vistrap bij de waterkrachtcentralein de Maas bij Alphen (foto's 3 en 4)De vistrap bestaat uitin de rivierbodem inge-klemde stijlen met een doorsnede die over-eenkomt met de doorsnede van de stijlenvoor het geluidscherm. In de sponningenvan de stijlen kunnen schotplanken wordengeplaatst. De schotplanken met een diktevan 35 mm zijn gemaakt van met Arapree-staven voorgespannen beton in plaats vande traditionele schotplanken van hardhout.Aan het beton werd een bruine kleurstoftoe-gevoegd, zodat de vissen zouden denkenCEMENT1996/7/83. 1989: Holle kanaalplaatBij het Huis van de Toekomst in Rosmalen(foto 5) zijn in de vloeren traditionele metstaal voorgespannen holle kanaalplatentoegepast; in ??n plaat is het staal vervan-gen doorvoorgerekte Arapree. Aan de uitein-den is het Arapree over 100 mm omwikkeldmet tape. Dat kon met het oog op de dwars-kracht. Net als bij de stijlen voor het geluid-scherm en de vistrap werden aldus de splijt-spanningen beperkt. Na het aflaten van devoorspanning werden aan de koppen van dekanaalplaten geen splijtscheuren waarge"nornen; bij de eerste productie van platenwaarbij de Arapree niet mettape was omwik-keld, lag men wel splijtscheuren.? Huis van de Toekomst te Rosmalen29.~~~~~~~~. materialen ? voorspanelementen?0 Voorgespannen metselwerk bij hetHuis van de Toekomst--- sparing metgrout-vullinglateispouwmuuro..w' -J.-_ arapreejeboomstraat in Rotterdam (fig. 8). E?nplaat is beproefd bij de TU-Eindhoven.metde elasticiteitsmoduli van beide materi-alen. De resulterende uitzettingsco?ffici?ntin longitudinale richting was uitgebreid doorAKZO in het laboratorium bepaald en komtgoed overeen met die van beton. Erwas eenklein verschil, maar het daaruiteventueel re-sulterende verlies aan voorspanning is kleinen daarmee kan desgewenst rekening wor"den gehouden. Overigens weet men bij tradi-tioneel voorgespannen beton ook niet of deuitzetting van het beton precies gelijk is aandie van het staal; we hebben op school ge-leerd dat dat het geval is en dus is het zo!4. 1989: Voorgespannen metselwerkBij het Huis van de Toekomst is eveneenseen wand van metselwerk, uitgevoerd alsdiafragmawand (een spouwmuur met ver"bindingsdammen), in verticale richting voor-gespannen met Arapree-strippen (foto 6, fig7). In de funderingsbalkzijn stalen hulzen in-gestort. Ook in de afdekplaten van geprefa-briceerd beton aan de bovenzijde van dewand waren stalen hulzen ingestort. DeArapree is na het metselen van de wand enna het plaatsen van de afdekplaten nage-spannen. De strippen zijn, v??r het aflatenvan de voorspankracht, in de stalen hulzenaangegoten met een traditionele zand-ce-ment-hulpstofgrout. Eigenlijk is dit een na-spansysteem met verankering opaanhech-ting.5. 1990: Betonnen wapeningsstaven metArapree [4]In de fabriek zijn betonnen staven gemaakt(doorsnede 35 x 60 mm2 ), voorgespannenmet twee voorgerekte staven Arapree. Zoverkreeg men wapeningsstaven van betondie hun treksterkte ontlenen aan de eigentreksterkte van het beton, vermeerderd metde voorspanning. Er zijn balkonplaten gewa-pend met dergelijke betonnen wapenings-staven voor een woongebouw aan de Oran-? Ligging voorgespannen betonstaven Inde balkonplatenPraktijkervaringenDe toepassingen van Arapree in proefpro-jecten zijn ontworpen en uitgevoerd in over-leg met de opdrachtgevers voor die projec-ten enhun adviseurs en metautoriteiten zo-als diensten van Bouw- en Woningtoezicht.De normaal gangbare verzekeringen zijn af-gesloten. Na overleg met verzekeraars zijndoor hen geen bijzondere voorwaarden ofbijzondere premies gesteld.Het gedrag van de proefprojecten is in depraktijk gevolgd.Bij de stijlen van het geluidscherm werden inhet betonoppervlak scheuren van 0,1 - 0,2mm waargenomen, evenwijdig aan de rich-ting van de Arapree. Soortgelijke scheurenzagen we ontstaan in de planken op de loop-brug bijde vistrap, maarnietin deschotplan-ken. Uit onderzoek bleek dat Arapree indwarsrichting een temperatuuruitzet-tingsco?ffici?ntheeftdie zes- totzevenmaalgroter is dan die van beton. In de lengterich"tingvan Arapree zet de epoxyhars, waarin devezels gebundeld zijn gebed, uit bij verho-ging van temperatuur. Die uitzetting wordtverhinderd door de vezels, die in vezelrich-ting zelfs een negatieve uitzetting hebbenen bij verwarming korter worden.De longitudinale uitzetting van Arapreewordt bepaald doorde uitzettingsco?ffici?n-ten van de hars en de vezels, in combinatieOnderzoekIn dwarsrichtingvan Arapree wordt de uitzet-tingsco?ffici?nt van de composiet bepaalddoor die van beide materialen, hars en ve-zels. De resulterende uitzettingsco?ffici?ntwas niet afzonderlijk bepaald en bleek bijhet onderzoek naar aanleiding van descheurvorming, les- tot zevenmaal groter tezijn dan die van beton. Het onderzoek werduitgebreid naarde uitzetting in dwarsrichtingvan composieten met andere vezels, zoalsglas en koolstof. Prisma's van beton werdengewapend met een staaf van een compo-siet.Als blanco werden prisma's gewapend mettraditioneel voorspanstaal en wapenings-staal meegenomen. Ook prisma's gewa-pend met voorspanstrengen bekleed metepoxy, werden in hetoverzicht betrokken. Dewapening werd niet voorgespannen, zodatalleen splijtspanningen door verschillen inuitzetting zouden optreden. De prisma'swerden onderworpen aan verwarming. Erwerd gekeken welke gewapende prisma'sscheurden. Zo kreeg men een rangorde vanmaterialen die even goeddan wel minderge-drag toonden dan de blanco prisma's mettraditioneel staal. Er zijn onderlinge verschil"len in gedrag van de composieten [5]. Deuitzetting van de hars domineert echter deuitzettingin dwarsrichtingin die mate, dat bijalle onderzochte composieten scheurvor-ming wordt waargenomen onder invloed van'"~0~'"0'"~N151700I 0~!V"l...-:..-8~:.=-':.--=8=----+~--::..-8~8.=-:--=~:.-__=.:8~N-::..8----=-8_'8.=-:--=?_8_'0~'-1-'-----1 ~-~---'-w:w30 CEMENT1996/7/8een temperatuurregime waarbij in de blan-co's geen scheurvorming optrad. Ook deprisma's met epoxy bekleed voorspanstaalscheurden als gevolg van verschillen in uit-zetting in dwarsrichting.De ongel?ke uitzetting van beton en Arapreein dwarsrichting b? temperatuurverhogingleidt tot spl?tspanningen waarmee de in dest?len van het geluidscherm en de loopbrugb? de vistrap waargenomen scheurvormingkon worden verklaard. Ook werd duidel?kwaarom de schotplanken en de st?len b? devistrap deze schade nietvertoonden: die be"vinden zich in het water en z?n minder bloot-gesteld aan hoge temperaturen door zonbe-straling. De scheurvorming in de st?len vanhet geluidscherm bl?kt gelukkig niet toe tenemen. Dit wordtverklaard door de gunstigeinvloed van de spl?twapening en de verbre-king van aanhechting b? de uiteinden.De planken van de loopbrug bij devistrap z?nvervangen door planken van beton, gewa-pend met wapening van roestwerend staal.De vloerplaat in het Huis van de Toekomstheeft zich goed gehouden; grote tempera-tuurwisselingen z?n hier aan de onderz?deniet te verwachten en ook hier is de aan-hechting aan de uiteinden verbroken.De strippen in de metselwerkwand z?n doorsparingen in het metselwerk toegankel?k.Hier is in 1993 gebruik van gemaakt om deresterende voorspankracht F in de strippente meten volgens het principe van eendraadspanningsmeter. Men meet dan dehorizontale afw?king 0 van een strip wan-neer midden tussen de verankeringen metafstand Ieen horizontale krachtHwordtaan-gebracht (F = !HI I 0).De resterende voorspankrachten blekenovereen te komen met wat werd verwacht opgrond van berekeningen van de afname alsgevolg van relaxatie.Dit kan twee dingen betekenen:1. Er treedt geen slip of kruip opin degrout-verankeringen en de relaxatie van Arapree inde prakt?k stemt overeen met wat dest?dswerd voorspeld op grond van meerjarig re-laxatie-onderzoek in het Magnel-Iaborato-rium in Gent.2. Er treedt w?l slip opin de verankeringenen de relaxatie is minder dan voorspeld.De eerste conclusie is de meest waarschijn-I?ke. Debetondekkingaan de onderz?de vande balkonplaat aan de Oranjeboomstraat iswatgroter dan b? de genoemde st?len.1n [6]CEMENT1996/718is een rekenmethode aangegeven waarmeedebenodigde dekking kan worden berekendom temperatuurscheuren te voorkomen. Debalkonplaat voldoet daaraan wanneer menin aanmerkingneemtdatde plaataan de on-derz?de nietis blootgesteld aan directe zon-bestraling. Hierisgeen scheurvormingwaar-genomen.FinancieringDe ontwikkelingvan Arapree is in het begin fi"nancieel gesteund door EZ en later door deEuropese Commissie in het kader van hetBrite/Euram-programma voor ontwikkelingvan technologie. Bovendien is voor de meer-kosten van het geluidscherm ten opzichtevan uitvoering in traditioneel gewapend be-ton een subsidie ontvangen van VROMin hetkader van de regeling voor experimenteledemonstratieprojecten (expidemo-rege-Iing). Ruwweg de helftvan de ontwikkelings-kosten z?n gedragen door nationale en inter-nationale overheidssubsidies. Die regelin-gen waren geen reden om de ontwikkeling testarten maar stimuleerden de ontwikkelingzeer bepaald.Ten slotteDoor AKZO is een samendrukbare hars meteen luchtbelvormer ontwikkeld. Met dezehars vervaardigde Arapree is in dwarsrich-ting zodanig samendrukbaar, dat de tempe-ratuuruitzetting totveel lagere spl?tspannin-gen leidt dan Arapree met de eerdergebruik-te hars [5]. Deze gemodificeerde vorm vanArapree voldoet technisch voor toepassingals voorgerekte wapening in elementen vangeprefabriceerd beton. De gemodificeerdeArapree kost om verschillende redenen watmeer. Het pr?sniveau en de omstandigheiddat HBG geen direct commercieel belangmeer heeft in prefabricage van elementenvan beton, leidde ertoe dat het uitzicht opcommerci?le baten voor HBG te ver in detoekomst ligt. Bovendien is door deelnameaan CUR-commissie B35 het inzicht ge-groeid dat b? ontwerp en uitvoering volgensde voorschriften corrosie van wapeninggeen bedreiging voor de levensduur van be-tonconstructies vormt.De weerstand van Arapree tegen corrosiewerd daardoor een minder belangr?k argu-ment voor toepassing. Toen heeft HBG in1994 de deelname aan de ontwikkeling vanArapree be?indigd. Wat bl?ft er naast hetgeestel?k eigendom van de proefprojecten,waarvan HBG overigens geen juridisch eige-naar is, over?- Een octrooi op een spanverankering metkunststof wiggen; die verankering is ookgeschikt voor toepassing b? andere com-posieten met glas of koolstof. De oc-trooien op het materiaal zelf en het rechtop de naam Arapree berusten b? AKZO.-Kennis en ervaring. Algemene kennis vankunststoffen en materiaalonderzoek kanook buiten de kunststofwapeningsele-menten van pas komen.- Versterkingvan hetimagovan HBGalseenbedr?f dat ontwikkeling van technologieziet als onderdeel van het bedr?fsbeleid.- Naast de herinnering aan de teleurstellin-gen ook het terugdenken aan een span"nende en boeiende ontwikkeling. In 1902stond HBM aan de wieg van de toepas-singvan gewapend beton in Nederland. Indie traditie pasten de verkenningen naarde mogel?kheden van kunststof voor-spanwapening.Literatuur1. Gerritse, A. e.a., Les materiaux nouveaupour la pr?contrainte et Ie renforcementd'ouvrages d'art. Octobre 1988, L'?cole Na-tionale des Ponts et Chaussees, Paris.2. Egas, M. en W.R. de Sitter, Internationalsymposium on Precast Concrete RailwaySleepers. Madrid, April 1991,Escuela Tecni-ca Superior de I'lngenieros de Caminos, Ca-nales y Puertos de Madrid Espania.3. Groenewegen, LAM. en LJ.Oostlander,Eerste prakt?ktoepassing van Arapree: Ge-luidscherm langs de A20, te Schiedam.Cement 1989 nr. 5.4. Egas, M. en C.J.G. van der Meer, Wapenenmet voorgespannen betonstaven; Eersteprakt?kproef met Arapree als voorgespan-nen wapening. Cement 1990 nr. 10.5. Sitter, W.R. de en F.Tolman, Rilem Procee-dings 29 ofthe second International RILEMSymposium (FRPRCS-2). Non Metallic(FPR) Reinforcement for concretestructu-res. Gent, August 1995.6. Vonk, RA en W.R. de Sitter, Contributionto International Symposium on FRP Reinfor-cement for Concrete Structures. Vancouver,March 1993;Splittingforces in FRPR preten-sioned concrete.7. Sitter, W.R. de en H.J.F?neman, Utilizationof High Strength Concrete: ProceedingsSymposium in Lillehammer, Norway, June1993. NB SINTEF, Norske SivilinggeniorensForening, Flp, CEB, ACI; The fiber preten-sioned concrete bar; FPC-Bar. ?31