G. SleighJohnson & Nephew (Ambergate) LtdEngelandCement XXXI (1979) nr. 1Het gedrag van betonstaal,voorspanstaal enverankeringselementen ondercryogene omstandighedenTer inleidingDit artikel vormt de weergave van een docu-ment (versie 8 september 1978) dat door deauteur is opgesteld ten behoeve van FIP-commissie 'Prestressing Steel and Systems',- ad hoc committee 'Cryogenic Problems'.Het bedoelde document is door ondergete-kende zodanig omgewerkt dat de interes-sante gegevens op wat andere wijze zijnvastgelegd. Er is enige extra informatie,1. Algemene eisenonder meer betreffende Nederland toege-voegd.Het ligt in de bedoeling het document in hetEngels op te nemen in een aflevering van deFIP-Notes, zodat ge?nteresseerden nogkunnen nagaan of de hier gegeven interpre-tatie daarmee goed overeenstemt. Uiteraardis getracht deze bewerking zo goed mogelijkte maken.prof.ir.A.S.G.BruggelingStaal, toegepast in betonconstructies die onder cryogene omstandigheden verkeren, moetonder meer aan de volgende eisen voldoen:1. Het staal mag niet bros worden bij temperaturen waaronder het in de constructie komt te ver-keren.2. Het staal mag geen plotselinge veranderingen in eigenschappen vertonen, wanneer de tem-peratuur, waaronder het normaal verkeert, lager wordt.Opmerking: De temperatuur, waarbij het gedrag van het staal onder invloed van stoten (Charpy-proef) verandert, heeft geen betekenis voor voorspanstaal, tenzij men te maken heeft met:a. sterke kerfwerking in het staal door wat voor oorzaak dan ook (verankeringen),b. voorspanstaal, dat bij zeer lage temperaturen wordt gespannen, hetgeen bijna nooit hetgeval is.Op grond van bovengenoemde eisen kan een aantal voorwaarden worden opgesteld waaraanhet staal, toegepast in aan cryogene omstandigheden blootgestelde constructies en de verwer-king daarvan moet voldoen.Deze voorwaarden zijn:1. In verband met de toename van gevoeligheid voor stootbelasting van voorspanstaal bij lagetemperaturen, moet de betonconstructie zodanig zijn ontworpen dat het staal daarin goed is be-schermd tegen stoten, beschadigingen, enz.2. Voorspanelementen (kabels) mogen geen plotselinge veranderingen in richting ondergaan, zo-als ombuigingen (wobbie) om relatief scherpe hoeken, gevormd door bijv. wapeningsstaven diehet spankanaal kruisen, of om knikken in een wand opgebouwd uit prefab-elementen.3. Normaal toegepaste bochten in voorspanelementen mogen plaatselijk in het staal geen (meer-assige) spanningstoestanden van betekenis opwekken.4. Beschadigen van het voorspanstaal (kerven) moet worden vermeden, onder meer door zorg-vuldige uitvoering van de spanwerkzaamheden.5. Verankeringen van voorspanelementen moeten goed zijn beschermd en bovendien volledig zijnomhuld met 'gezond' beton alsmede, indien nodig, met een ander conserverend materiaal.6. Het staal moet volledig van de buitenlucht worden afgesloten door middei van een deugdelijkebetondekking, zodat geen condensatie van waterdamp op het staaloppervlak kan ontstaan.Deze condensatie zou oorzaak kunnen zijn van corrosie van het staal.7. Spankanalen moeten zeer zorgvuldig worden ge?njecteerd (wat bij horizontaal liggende kanalenom extra maatregelen vraagt) ten einde het staal in deze spankanalen volledig van de buiten-wereld af te sluiten, tevens om condensatie van waterdamp te voorkomen. Bij aanwezigheid vanvoldoende water in de spankanalen kan door bevriezing bij lage temperaturen het omhullendebeton word?n beschadigd.Opmerking:Bij de beoordeling van het staal en de verankeringen in aan cryogene omstandigheden blootge-stelde betonconstructies, moet ervan worden uitgegaan dat deze worden onderworpen aantemperaturen die gelijk zijn aan het kookpunt van de opgeslagen vloeistof. Wanneer door hettreffen van bepaalde constructieve voorzieningen de zekerheid bestaat, dat deze temperaturenter plaatse van het staal en/of de verankeringen niet kunnen voorkomen, dan dient bij de beoor-deling van de toelaatbaarheid van het staal en de verankeringen van deze andere temperatuur-waarden te worden uitgegaan.14Tabel 1 [2]Tabel 2 [2]Treksterkte en rek van 'thermalised' draadmet opgestuikte kopjesTabel 3 [5]Eigenschappen van 'Sigma' voorspanstaalTabel 4Eigenschappen van 'Me AI/oy' stavenCement XXXI (1979) nr. 1materiaal temp. breuksterkteCC) (kN)strengen 6,35 mm 20 oe 46;3-196?G 54,3draad 5,08 mm 20 oe 1875 N/mm2-196 oe 233720 oe 1903-196 oe 2344draad 7 mm 20?C 1669-196 oe 2082gekerfd draad 7 mm 20 oe 160620?C 2082}-196 oe 206820 oe 2041-196 oe 1999temp diameter treksterkte(mm) (N/mm2)20 oe 7 1544-196 oe 7 199920 oe 7 1649-196 oe 7 202720?C 7 1600-196 oe 7 2027temp. doorsnede treksterkte(Oe) (mm) (N/mm2 )20 5,2 1588- 78 5,2 1677-196 5,2 2157temp. treksterkte rek(0G) (N/mm2) (%)20 1103 14,80 1145 14,2- 25 1165 15,5- 50 1172 13,5- 75 1241 - **-100 1296 5,6-150 1158 1,1-196 1227 - *** treksterkte met 'kerven'-doorsnede-reductie 50%** bekbreuk - Mc Alloy-staaf afgedraaid tot 0 6,4 mm2. Voorspanstaal2.1. Treksterkteinsnoering rek op 100 mm(%) (%)- -- -41 631 440 -27 -35 -bekbreuk -40 -profilering onder 45%reduceert draaddiametertot 5mminsnoering rek op 30 mm(%) (%)36 527 $,631 5,030 3,90,2% rekgrens rek(N/mm2) (%)15101610 8,51810 7,8insnoering treksterkte *(%) (N/mm2)52 1378/157252 1034/150949 738/150947 1158/1351-** 1041/14207 924/10270 876- ** 1145/11452.1.1. Gepatenteerd getrokken, al dan niet thermisch nabehandeld staal.Bij het dalen van de temperatuur nemen zowel de treksterkte als de rekgrens in grootte toe. Voorzover bekend zijn geen onderzoekingen uitgevoerd bij lagere temperaturen dan het kookpuntvoor zuivere stikstof (-196 0G). Toenemen van de treksterkte met 20-25% is vastgesteld bij eentemperatuursdaling van +20 oe naar-196?C (tabel 1-2).2.1 .2. Gehard en ontlaten voorspanstaal.Deze staalsoort vertoont dezelfde eigenschappen als de onder 2.1.1. genoemde soort (tabel 3).Zowel rond als ovaal staal hebben deze eigenschappen.2.1.3. Staven, gewalst, ontlaten gelegeerd chroom-koolstof staal (Mc Alloy).Deze staven vertonen een minder markante toeneming van de treksterkte. Er zijn enkele aanwij-zingen dat bij -75?C een structuurverandering optreedt.15Invloed temperatuur op de treksterkte vande volgende staalsoorten:1 = 5,08 mm getrokken-gestabiliseerd2 = 7 mm getrokken-gestabiliseerd3 = 5 mm getrokken-thermischnabehandeld4 = 5 mm getrokken-gestabiliseerd5 = gehard ontlaten (in de vorm van staven)6 = Mc AI/oy staven2Invloed temperatuur op relaxatieverlies van7 mm getrokken draad (spanning 70% vande treksterkte)temperaturen tijdens de proef: 1 = -100 oe,2 = -60oe, 3 = -40 oe, 4 = -20 oe, 5 = ooeen 6 = 20 oe.Cement XXXI (1979) nr. 1? 2400NE.? 2200zc:Ol 2000+'.0 0,4J,"'~~ 400~------~~~~-------------+------------~.E /.....1/11/1OlCcUJ-0L-..~ 200~------------~------------~------------~E~ 0,2~5L-.Cl>>Invloed temperatuur op vermoeiingssterktevan 5 mm 'gestabiliseerd' draad6Invloed temperatuur op stootsterkte vanthermisch nabehandeld staal1 = zonder inkerving2 = V-vormige inkerving (na 78%treksterkte te hebben bereikt)3 = V-vormige inkerving (na 90%treksterkte te hebben bereikt)4 = U-vormige inkervingDe tussen vierkante haakjes geplaatste cij-fers verwijzen naar de literatuur aan het eindvan het artikel.Cement XXXI (1979) nr. 12.5. Vermoeiingssterkte....uC'IIa..? -----o3- 4-50000+500temperatuur in oe ~Het gedrag van voorspanstaal bij vermoeiingsproeven schijnt erop te duiden dat de vermoei-ingssterkte afneemt als de temperatuur, waarbij het staal wordt beproefd, lager wordt gekozen.Een minimumwaarde van de vermoeiingssterkte lijkt te liggen tussen -30oe en -50oe. De ver-moeiingssterkte neemt weer toe bij lagere temperaturen dan de hier genoemde. Onderzoek vanOoi [4] * schijnt de onderzoekresultaten van M. Kobrin [7] te bevestigen, namelijkdatde vermoei-ingssterkte afneemt tot -35 oe. Bij temperaturen lager dan -50?C neemt de vermoeiingssterkteweer toe, zodanig dat deze bij -100?C reeds groter is dan de waarde die voor hetzelfde staal, bijkamertemperatuur is gevonden (fig. 5).2.6. StootbelastingDe sterkte van voorspanstaal onder stootbelasting (impact) neemt af, zowel bij getrokken voor-spanstaal als bij andere staalsoorten. Er wordt evenwel geen plotselinge verandering in destootsterkte gevonden bij een bepaalde (lage) temperatuur. Kerven op het staaloppervlak, ookdie afkomstig van het indrukken van wiggen in verankeringen, verlagen de stootsterkte bij alletemperaturen (fig. 6) [4].2.7. Uitzettingsco?ffici?ntDe uitzettingsco?ffici?nt van het staal is onder meer bepaald op draden 0 5 mmo Gevondenwerden waarden van 10,8 . 10-6 per oe bij een temperatuurswisseling tussen 23 oe en -1 00 oeen van 10,3 . 10-6 per oe bij een temperatuurswisseling tussen 23oe en -160?C.Opmerking:Deze waarden zijn iets hoger dan de uitzettingsco?ffici?nten die worden gevonden voor normaalbeton. Het staal verkort bij daling van temperatuur dus meer dan het beton.2.8. ElasticiteitsmodulusOp ditgebied is relatief weinig onderzoek verricht. Hetziet ernaar uit datde elasticiteitsmodulus,evenals de treksterkte toeneemt bij het dalen van de beproevingstemperatuur tot -196 oe. Dezetoeneming varieert van 9,5% voor staal met een laag koolstofgehalte tot 3,5% voor staal met0,8% koolstof. Beide waarden gelden voor gewalst staal, dat op geen enkele wijze is nabehan-deid. Er zijn geen gegevens beschikbaar betreffende de invloed van lage temperatuur op deelasticiteitsmodulus van hoogwaardig betonstaal.17Cement XXXI (1979) nr. 13. Verankeringselementen en koppelstukkenMen kan bij verankeringselementen twee hoofdfuncties onderscheiden, te weten:a. de overdracht van de trekkrachten uit het voorspanstaal op het beton,b. de eigenlijke verankering van het voorspanstaal.3.1. Overdrachtzol1e van krachten op het betonWanneer het veranJ.a.L-ro~ 1,0 ~----~--~--+----IOlc'';;IJlroQ? 0,S-t-----t-.Dbo~';f.ogo- 600-400-20000+200temperatuur in ?C-?x 80~--~+---~----+~~9'tOlL-a.~~~ 60'" 1.0 -f----+---r----t-----j-1.00-20000+200temperatuur in oe ~eement XXXI (1979) nr. 1staal type chemische samenstelling (%)e Mn Si eu TiST5Sp 0,35 0,66 0,2510GT 0,12 1,43 0,49 0,02435GS 0,35 0,14 0,7180S 0,77 0,68 0,71 0,3423 x 2G2T 0,24 1,62 0,57 1,39 0,07staaltype diameter 0,2% rekgrens treksterkte breukrek op 5d(mm) (N/mm2) (N/mm2) (%)ST5Sp 16 338- 355 560- 588 25 -2910GT 16 370- 390 500- 525 35 -3935GS 16 460- 472 730- 746 21 -2480S 14 630- 640 1000-1040 9,7-11,723 x 2G2T 12 980-1100 1210-1290 5,5- 9,2soorten geprofileerd betonstaal. Uit de figuren 7 en 8 is te zien dat betonstaal met een klein ge-halte aan titanium geen verlies aan breukrek vertoont, noch verlies aan stootweerstand wanneerhet tot -60oe wordt afgekoeld. Normaal wapeningsstaal vertoont bij die temperatuur al een zeerernstige reductie van deze eigenschappen.Het betonstaal 10 GT vertoont zeer gunstige eigenschappen bij -60 oe (de laagste temperatuurwaarbij onderzoekresultaten bekend zijn). Deze staven hadden alleen twee ribben inlangsrichting en dwarsribben. Een soort (35 GS) werd beproefd nadat dit was voorzien vankerven met een diepte van 0,05 mm en een afrondigsstraal van 0,1 mm in de basis van de kerf.De kerven werden gemaakt in de dwars- en langsribben en in het eigenlijke staafoppervlak.Trekproeven toonden aan (tabel 7) dat alleen staven met kerven in de dwarsribben niet in trek-sterkte achteruit gingen. Meting van de gelijkmatige rek toonde aan dat deze voor de vijf onder-zochte staalsoorten ten opzichte van die bij kamertemperatuur afnam, met uitzondering van 10GT, ST 55p en 23 x 2G2T. Van de hier gegeven aanduidingen van staalkwaliteiten wordt meerinformatie verstrekt in de tabellen 5 en 6.Na afkoelen bleek alleen bij de staven 10 GT en 23 x 2G2T de rek niet in belangrijke mate doorkerfjes be?nvloed te zijn. Deze beide staalsoorten bevatten een kleine hoeveelheid titanium.In de USSR is onderzoek uitgevoerd op een type hoogwaardig betonstaal dat normaal in dehandel verkrijgbaar is [1 0]. Voor dit onderzoek zelf echter is dit staal met 0,35% e (type ST5S uittabel 5), speciaal thermisch nabehandeld om de gewenste eigenschappen te krijgen. Voor desamenstelling van dit staal wordt verwezen naar tabel 8 en voor de mechanische eigenschap-pen naar tabel 9.De staalsoorten 20KhG2Ts en 80S waren warmgewalst. De staalsoorten ST5(HT) en ST5(S)zijn verkregen via twee onderling verschillende warmtebehandelingen en wel als volgt:? ST5(HT) was gehard vanaf 900 0e in een waterbad en daarna ontlaten bij 350 0e tot 400 oe.? ST5(S) was gehard in een waterbad gevolgd door zelf-ontlating in de lucht door het na 3,5 secaan het waterbad te onttrekken, dat wil zeggen voordat het harden volledig had plaatsgehad.De twee proefstaven, die aldus waren behandeld, werden vervolgens als volledige doorsnedevia weerstandsverhitting opgewarmd met een snelheid van 30o/sec.Trekproeven toonden aan dat bij -100 oe de treksterkte van het aldus behandelde staal metcirca 100N/mm2was toegenomen.8Gedrag van de vijf staalsoorten uit figuur 7onder gelijkmatige rek bij verschillendetemperaturen.Tabel 7Effect van ingedrukte kerfjes op staal 35 GSemperatuurloeigrens N/mm2vtreksterkte N/mm2breukrek in % op delijkmatige rek ingd% op 50 mm buitene insnoering19geenkerfjes20 oe -60 oe476 528740 81123,9 24,313,4 16,3met inkervingendwarsrib langsrib staafopp.20 oe --60 oe 20 oe -60 oe 20 oe --60 oe,460 523 462 529 474 52372 814 722 683 729 701624,6 21,3 14,5 3,2 11,8 4,513,3 13,3 10,8 2,5 9,3 4,3Tabel 8Hoogwaardig betonstaal (USSR)Tabel 9Mechanische eigenschappen vanbetonstaalstaaltype chemische samenstelling (%)C Mn Si S P Cr Zr20KhG2Ts 0,24 1,62 0,54 0,014 0,028 1,06 0,6480S 0,73 0,70 0,72 0,021 0,026 0,22ST5(HT) 0,34 0,59 0,32 0,030 0,024