O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2000 258De eerste verkenningen voor detoepassing van niet-metallischewapeningselementen in betondateren al van meer dan eenhalve eeuw geleden. Het heeftechter tot de jaren tachtig ge-duurd voordat deze verkennin-gen hebben geleid tot grootschali-ge toepassingen. Nederland liepin die tijd, tezamen met enkeleandere landen, voorop in de ont-wikkeling. Onder de vlag vanAKZO en HBG is uitgebreidonderzoek gedaan naar de moge-lijkheden van ARAPREE?(ARA-mide PREstressing Elements). Indat kader is een aantal proefpro-jecten uitgevoerd zoals de staan-ders in een geluidsscherm bijRotterdam, kanaalplaatvloeren envoorgespannen metselwerk [1].In het begin van de jaren negen-tig leek in Nederland de interes-se voor het gebruik van niet-metallische wapeningselemen-ten in betonconstructies terug telopen, terwijl de ontwikkelingenin het buitenland op dit gebiedjuist leken toe te nemen. Dezesituatie was in 1994 aanleidingom CUR-preadviescommissiePC97 `Kunststof wapeningsele-menten in beton' op te richten.Deze commissie had tot doeladvies uit te brengen inzake detechnische, economische enmaatschappelijke haalbaarheidvan de toepassing van kunststofwapeningselementen in een con-creet demonstratieproject. Dewerkzaamheden, bevindingenen conclusies van deze commis-sie zijn vastgelegd in [2] en hier-na kort weergegeven.C U R - p r e a d v i e s c o m m i s s i eP C 9 7Om een beeld te krijgen van debeschikbare kennis van niet-metallische wapeningselemen-ten voor betonconstructies, isCUR-preadviescommissie PC97in 1994 haar activiteiten gestartmet een enqu?te onder fabrikan-ten en (potenti?le) gebruikers.Het was daarbij tevens de bedoe-ling inzicht te krijgen in de toe-passingsmogelijkheden, in opge-dane ervaringen met gerealiseer-de projecten en in de beweegre-denen om dergelijke elemententoe te passen.Koolstof voorspankabels in deDintelhavenbrug (II)Op 21 november 1999 is de eerste van twee bruggen over de Dintelhaven ingebruik genomen. De bruggen maken deel uit van de N15 tussen Rozenburgen Europoort/Maasvlakte. In de eerste (westelijke) Dintelhavenbrug is, naaststalen inwendige voorspanning, tevens gebruikgemaakt van voorspanele-menten van koolstofvezelversterkte draden. Deze innovatieve toepassing vankunststof wapeningselementen in een betonconstructie is het resultaat vaneen in 1994 gestart initiatief van de Bouwdienst Rijkswaterstaat en de CUR,waarbij de haalbaarheid van een dergelijke toepassing is onderzocht. Om nate gaan in hoeverre het verantwoord is de kabels in de brug toe te passen,worden bij TNO Bouw te Rijswijk langeduurproeven uitgevoerd op twee iden-tieke kabels van beperkte lengte.In dit artikel wordt nader ingegaan op de voorgeschiedenis van het proefpro-ject Dintelhavenbrug en de experimenten op de proefkabels. Elders in dit num-mer van Cement wordt ingegaan op de productie van de kabels en de uitvoe-ringsaspecten.dr.ir.A.H.J.M.Vervuurt, TNO Bouwing.N.Kaptijn, Bouwdienst Rijkswaterstaatprof.dr.ir.A.S.G.Bruggeling, CURVoorgeschiedenis en experimentenfoto: Henk van der VeenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2000 2 59De respons op de enqu?te waszeer gering, waardoor het op datmoment voor de commissie nietmogelijk was een advies te gevenover de haalbaarheid van de toe-passing van kunststof wape-ningselementen in een concreetdemonstratieproject. De com-missie heeft vervolgens besloteneen oordeel te vormen op basisvan relevante literatuur. Enigetendensen die uit dit literatuur-onderzoek volgden, waren:- de beschikbare informatie ver-schilde voor de verschillendetypen kunststof. In sommigegevallen bleek duidelijk te wei-nig informatie voorhandenvoor een eventueel ontwerp;- er waren nagenoeg geen stan-daardmethoden voorhandenvoor het beproeven van vezel-versterkte kunststoffen;- van een aantal kritische aspec-ten zoals verankering, gedragin agressieve milieus en ge-voeligheid voor lokale bescha-digingen, was nog weinigbekend;- van de vezelversterkte kunst-stoffen bleken de elementenop basis van koolstofvezels hetmeest geschikt om te wordentoegepast in civiele construc-ties.De commissie was van meningdat er voor de meeste construc-ties geen reden is de stalenwapening te vervangen doorduurdere, niet-metallische wape-ning. Vanwege bijzondere om-standigheden kan het echter welzo zijn dat het gebruik van niet-metallische wapeningselemen-ten te verkiezen is boven conven-tionele stalen wapening. Hierbijkan onder meer worden gedachtaan situaties waarbij het gewichtof de niet-corrosieve eigenschap-pen van het materiaal een rol vanbetekenis spelen. De commissiewas van mening dat het uitvoe-ren van een demonstratieprojectwel een zinvolle stap zou zijnvoor de introductie van dezenieuwe technologie. Een demon-stratieproject kan ook eenbelangrijke spin-off voor anderetoepassingen hebben.R e c e n t e o n t w i k k e l i n g e nZoals al is vermeld, is in het bui-tenland de ontwikkeling vankunststof wapeningselementenin beton sinds het begin van dejaren negentig alsmaar toegeno-men. Zo is bijvoorbeeld het voor-spansysteem dat in de Dintel-havenbrug wordt toegepast, be-gin jaren negentig ontwikkeld engetest bij EMPA in Zwitserland.Behalve in de Dintelhavenbrug isdeze verankering ook al toege-past in een aantal andere brug-constructies [3, 4]. De nog steedstoenemende interesse voor hetgebruik van kunststofvezelver-sterkte materialen komt ondermeer tot uitdrukking in deonlangs verschenen speciale uit-gave van Structural EngineeringInternational [5]. Ook op het fib-congres dat in mei 1998 inAmsterdam werd gehouden isruim aandacht besteed aan niet-metallische wapeningselemen-ten in beton [6]. Behalve als voor-spanelementen worden koolstof-vezelversterkte materialen in toe-nemende mate ook gebruikt voorhet versterken van betoncon-structies met gelijmde wape-ningselementen. Een dergelijketoepassing komt in beeld indiende constructie niet meer voldoetaan de huidige regelgeving, isbeschadigd of een nieuwe (aan-gepaste) functie krijgt. Vele pro-jecten in het buitenland hebbenaangetoond dat dit een technischen economisch haalbare tech-niek is.Ook op het gebied van richtlijnenvoor het ontwerpen met kunst-stofvezelversterkte wapenings-elementen is in de laatste jarenvooruitgang geboekt. In dit kaderkunnen onder meer het state-of-the-art-report van ACI commis-sie 440 [7], de Japanse voornorm[9] en de Canadese richtlijnen[10] worden genoemd. Dichterbij Nederland, in het VerenigdKoningrijk, is onlangs een inte-rim-richtlijn voor het ontwerpenmet vezelversterkte wapenings-elementen verschenen [8].Op Europees gebied wordt in fib-verband, onder voorzitterschapvan prof.dr.ir.L.Taerwe van deUniversiteit van Gent, op eendrietal toepassingsgebieden aanregelgeving gewerkt: gewapendbeton, voorgespannen beton enuitwendig gelijmde wapening.Uit de belangstelling die vooralvoor de werkgroep uitwendiggelijmde wapening bestaat, kanworden opgemaakt dat er eenenorme behoefte is aan dergelij-ke regelgeving. Er is ook nog eenwerkgroep die zich bezighoudtmet het beproeven van vezelver-sterkte wapeningselementen.In een tweetal artikelen inCement is eerder aandacht be-steed aan dimensionering vanbetonconstructies, versterkt metuitwendig gelijmde koolstoflami-naten [11, 12].In Nederland wordt momenteeldoor een CUR-commissie ge-werkt aan het opstellen van eenCUR-Aanbeveling voor het ver-sterken van betonconstructiesmet uitwendig gelijmde kunst-stofvezel wapeningselementen(CUR commissie C97-B).D e m o n s t r a t i e p r o j e c tAansluitend op het advies vanpreadviescommissie PC97, heefthet Ministerie van Verkeer enWaterstaat in 1996 de mogelijk-heid geboden tot de realiseringvan een demonstratieproject.Hiertoe zouden in de Dintel-havenbrug te Rotterdam vierinwendige stalen voorspankabelsworden vervangen door evenzo-veel externe voorspanelementen,elk bestaande uit 91 koolstofdra-den met een diameter van 5 mmen een lengte van 75 m. Om deactiviteiten binnen dit demon-stratieproject te begeleiden, is innovember 1996 CUR-commissieC97-A `Beheerscommissie Dintel-havenbrug' in het leven geroepenom als het `geweten' van deBouwdienst Rijkswaterstaat tefungeren.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2000 260Om na te gaan of het verant-woord was de koolstofkabels inde brug toe te passen, is doorcommissie C97-A voorgesteldeen zogenaamde top-down bena-dering te hanteren. Door lange-duurproeven op het gehele voor-spansysteem uit te voeren (dusniet alleen op de draden), kanworden nagegaan hoe de kabelszich in de brug zullen gedragen.Hiertoe zijn op 5 oktober 1998twee kabels van beperkte lengtebij TNO Bouw te Rijswijk voorge-spannen tot hetzelfde niveau alsvan de kabels in de brug (2650kN). Na verloop van tijd is hetvoorspanniveau in beide kabelsin stappen verhoogd tot respectie-velijk 3000 en 3500 kN. De opzeten resultaten van deze proevenzullen hierna worden toegelicht.P r o e f k a b e l s v o o r d eD i n t e l h a v e n b r u gToen eind 1996 CUR-commissieC97-A aantrad om de toepassingvan koolstof voorspankabels in deDintelhavenbrug te begeleiden,waren er onvoldoende gegevensvan de koolstofvezelversterktedraden beschikbaar om op voor-hand te kunnen stellen dat hetverantwoord was kabels van ditmateriaal voor de beoogde toe-passing te gebruiken. Het werddaarom noodzakelijk geacht aan-vullende informatie te verkrijgenvan het koolstofvezelversterktemateriaal en in het bijzonder vande gebruikte verankering om dedraden tot een kabel te formeren.Aangezien werd verwacht dat deverankering maatgevend zou zijnvoor het gedrag van het voorspan-systeem, is door de commissieaan Rijkswaterstaat geadviseerdlangeduurproeven uit te voerenop twee identieke kabels als in debrug zouden worden ge?nstal-leerd. De insteek van deze zoge-naamde top-down benadering is,dat door het beproeven van hettotale systeem, het gedrag van deafzonderlijke componenten imp-liciet wordt meegenomen. Om-gekeerd levert kennis over hetgedrag van de afzonderlijke com-ponenten onvoldoende informa-tie over het gedrag van het totalevoorspansysteem (draden plusverankering).De korteduurtreksterkte van dekabels is bij EMPA in Zwitser-land bepaald op basis van tweeproeven. Uit de resultaten bleekdat de korteduursterkte van dekabels (4085 kN) ruim boven devoorspankracht van de kabels inde Dintelhavenbrug ligt (2650kN). Indien wordt uitgegaan vande door de fabrikant gegaran-deerde vezelsterkte van 4900N/mm2en een vezelvolumeper-centage in de draden van 72,4%,kan een theoretische draadsterk-te van 71 kN worden berekenden een kabelsterkte van 6466 kN.Daar de experimenteel gevondenkabelsterkte van 4085 kN slechts63% van deze sterkte bedraagt(fig. 1), is het duidelijk dat dekabelsterkte in belangrijke matewordt bepaald door de veranke-ring. Ten opzichte van de theore-tische kabelsterkte is het voor-spanniveau in de brug 41%. Deexperimenteel gevonden draad-sterkte bedraagt 66,1 kN. Opbasis hiervan kan een theoreti-sche kabelsterkte van 6015 kNworden berekend.Op advies van CUR-commissieC97-A en in opdracht van Rijks-waterstaat zijn in oktober 1998twee koolstofkabels bij TNO Bouwin Rijswijk geplaatst en voor-gespannen (foto 2). De voorspan-kracht die initieel op de kabels isaangebracht, kwam overeen metde voorspankracht op de kabels inde brug (2650 kN).Nadat op 5 oktober 1998 op beidekabels een voorspankracht van2650 kN was aangebracht, is driemaanden later ??n van de tweekabels doorgespannen tot 3000kN (kabel A). Vervolgens is weerdrie maanden later deze krachtverhoogd tot 3500 kN. Op hetzelf-de moment is de voorspankrachtin de tweede kabel (kabel B) ver-hoogd van 2650 kN naar 3000 kN(fig. 3). Drie weken nadat kabel Awas voorgespannen tot 3500 kN,is deze bezweken. Aan kabel B,die momenteel is voorgespannenop 3000 kN, worden nog steedsmetingen verricht.P r o e f r e s u l t a t e nOm na te gaan hoe de proefka-bels zich in de loop van de tijdgedragen, worden verschillendemetingen verricht:1| Voorspanniveau van dekoolstof voorspankabelsin de Dintelhavenbrug inrelatie tota. de theoretische kabel-sterkte indien wordt uit-gegaan van de sterktevan de vezels van 4900N/mm2b. de kabelsterkte op basisvan de expirimenteledraadsterktec. de korteduursterkte vande kabels2| Proefopstelling voorspankabelsO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2000 2 61- de temperatuur in de opstel-ling als functie van de tijd;- de kracht in de kabel, dezewordt gemeten aan de niet-spanzijde van elke kabel;- de rek in de draden, in elkekabel zijn 4 van de 91 dradenvoorzien van een rekstrookjewaarmee de rek in deze dra-den wordt gemeten (fig. 4a);- de ankerintrekking, aan deniet-spanzijde van elke kabelwordt op twee plaatsen deankerintrekking gemeten(fig. 4b).Enkele relevante resultaten vande experimenten zijn weergege-ven in de figuren 5 tot en met 7.De proeven hebben tot nu toelaten zien dat de kracht na voor-spannen niet substantieel af-neemt (fig. 5), met uitzonderingvan kabel A in de weken voorbezwijken. Indien de krachtafna-me in de voorspankabels wordtbeschouwd, dan blijkt dat dezeop de eerste dag na het spannenhet grootst was (1% ? 1,5% bijeen voorspankracht van 2650kN). In de maanden daarna is dekrachtafname verder toegeno-men tot ongeveer 2,25% en2,75% voor respectievelijk kabelA en kabel B (fig. 6).Voor de ankerintrekking wordtdezelfde tendens waargenomenals voor de kracht. De intrekkingis het grootst in de periode directna het spannen, terwijl deze inde periode daarna nog nauwe-lijks toeneemt (fig. 7). Voor deperiode na het spannen vankabel A tot 3500 kN (na 180dagen), is te zien dat de intrek-king in het midden van de veran-kering blijft toenemen.Kennelijk vervormt de veranke-ring in de loop van de tijd bijdeze belasting. Het gevolg hier-van is enerzijds dat de kracht inkabel A hoofdzakelijk doorintrekking van de draden in deverankering afneemt tot 3428 kNbij breuk (fig. 5) en anderzijdsdat de normaalspanning lood-recht op de draden in de veran-kering waarschijnlijk toeneemt.De herverdeling van spanningenin de verankering heeft er vervol-gens toe geleid dat de veranke-ring is bezweken. De resultatenvan de lagere spanningsniveaus(2650 kN en 3000 kN) zijn zoda-nig, dat het bezwijken van kabel3| Voorspanniveaus in deproefkabels als functie vande tijd4| Plaats van de draden meteen rekstrookje (a) en vande draden waar de ankerin-trekking wordt gemeten (b)5| Verloop van de kracht inde proefkabels in de tijda bO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2000 262A bij 3500 kN geen aanleiding isgeweest de voorspankracht op dekabels in de Dintelhavenbrugaan te passen. Verder worden demetingen aan kabel B voortgezetom na te gaan hoe deze kabel ende kabels in de brug zich in deloop van de tijd gedragen.De experimenten hebben tot nutoe laten zien dat de koolstofvoorspansystemen beperkterelaxatie vertonen. Uit ??n vande twee proeven is wel naarvoren gekomen dat de lange-duursterkte van de kabels mini-maal 12% lager is dan de korte-duursterkte. Aan de tweede kabelworden nog steeds metingen ver-richt. sL i t e r a t u u r1. Gerritse, A. en Werner, J.,ARAPREE?a non-metallicprestressing tendon.Bijdrage aan de conferentie`Durable Reinforcement forAggressive Environments',Luton, November 1990.2. CUR-rapport 96-9, KunststofWapeningselementen inBeton (preadvies). CUR,Gouda, 1996.3. Meier, H., Meier, U.,Br?nnimann, R., Zwei CFK-Kabel f?r dieStorchenbr?cke. SchweizerIngenieur und Architekt, nr.44, oktober 1996.4. Schweizer Ingenieur undArchitekt, nr. 17, april 1999.5. Structural EngineeringInternational, nr. 4/99, 1999.6. Stoelhorst, D. en Den Boer,G.P.L., Challenges forConcrete in the NextMillenium (volume 1 en 2).Balkema, Rotterdam, 1998.7. ACI committee 440, State-of-the-Art report on FiberReinforced PlasticReinforcement for ConcreteStructures. Reportnr.ACI440R-96, Detroit, 1996.8. Interim Guidance on theDesign of ReinforcedConcrete Structures usingFibre CompositeReinforcement. Institutionof Structural Engineers,1999.9. Recommendation for Designand Construction ofConcrete Structures usingContinuous FiberReinforcing Materials. JSCE,1997.10. Methods of Testing FRPReinforcement for TensileStrength, Modulus ofElasticity and Coefficient ofThermal Expansion.ACMBS, 1994.11. Matthys, S.,Vezelcomposietlaminaten(I). Cement 1998, nr. 2.12. Brosens, K. en Van Gemert,D., Vezelcomposietlaminaten(II). Cement 1998, nr. 3.13. Vervuurt, A.H.J.M., Longterm Tensile Tests on TwoCFRM Cables: Results untilFailure of Cable A. TNOBouwrapport 1999-CON-BM-R3011.6| Tijdsafhankelijke afnamevan de kracht bij een voor-spankracht van 2650 kN7| Ankerintrekkingen vanhet midden van beidekabels in de tijd