De meeste opleggingen in brugconstructies bestaan uit met staalplaten gewapende rubberen oplegblokken. Deze blokken zijn normaal gesproken rondom omsloten met een rubberen rand ter bescherming van de stalen wapeningsplaten. Op Hogeschool Windesheim is een alternatief onderzocht met toepassing van vezelversterkte kunststoffen ofwel composieten. Bekeken is of bij die oplossing de genoemde rand achterwege kan blijven en of de lagen rubber en composiet te lijmen zijn in plaats van te vulkaniseren. Auteurs:ir. Peter Bosman, ing. Pieter Schreuder, dr. Margie Topp (Lectoraat Kunststoftechnologie Windesheim)
Opleggingen met 100 jaar levensduur!?20152Opleggingenmet 100 jaarlevensduur!?Demeesteopleggingeninbrugconstructiesbestaanuitmetstaal-platengewapenderubberenoplegblokken.Dezeblokkenzijnnormaalgesprokenrondomomslotenmeteenrubberenrandterbeschermingvandestalenwapeningsplaten.OpHogeschoolWindesheimiseenalternatiefonderzochtmettoepassingvanvezelversterktekunststoffenofwelcomposieten.Bekekenisofbijdieoplossingdegenoemderandachterwegekanblijvenenofdelagenrubberencomposiettelijmenzijninplaatsvantevulkaniseren.Onderzoek naar alternatieven voor met staalplaat gewapende,gevulkaniseerde rubberen oplegblokkenOpleggingen met 100 jaar levensduur!? 2015 3door ozonaantasting (O3) en/of overbelasting. Er worden driebezwijkvormen onderscheiden.Bij ozonaantasting zit de scheur ter hoogte van de uitstulpenderubberlaag maar reikt meestal niet tot aan de staalplaten (fig. 3).Bij overbelasting begint de scheur bij een hoekpunt ter hoogtevan de stalen platen. Bij doorgroeien kan deze scheur corrosievan de staalplaten veroorzaken (foto 4). Een derde bezwijk-vorm is het loslaten van grote delen van de omhulling (foto 5).Bij deze schadevorm is er direct gevaar voor corrosie vandiverse staalplaten. Op termijn kan dat de functionaliteit vaneen oplegging verminderen. Alleen vroegtijdig repareren kanmoeilijk verwijderbare corrosie en daarmee (uiteindelijke)vervanging voorkomen.Schade kan soms duurzaam worden gerepareerd, bijvoorbeelddoor het aanlijmen van de bestaande of een nieuwe omhullings-laag. In de praktijk worden de meeste beschadigde, rubberenoplegblokken echter vervangen. Bij het vervangen van opleg-gingen wordt een brugdek circa 10 mm opgevijzeld. Ditgebeurt veelal terwijl de brug beschikbaar blijft voor hetverkeer [3].AlternatievenIn het onderzoek [4] aan Hogeschool Windesheim is gekekennaar alternatieve, niet-corroderende materialen voor de internewapeningsplaten. De oplegblokken moeten daarmee eenlangere levensduur halen. De geselecteerde alternatieve materi-alen zijn vezelversterkte kunststof (VVK ofwel composiet, fotoir. Peter Bosman,ing. Pieter Schreuder,dr. Margie ToppLectoraat KunststoftechnologieWindesheim1 Beproeving van gevulkaniseerdetestblokken2 Oplegblok onder horizontale belastingLectoraatHet lectoraat Kunststoftechnologie van HogeschoolWindesheim heeft hybride ontwerpen, duurzaamheid encomposiettoepassingen als enkele van haar speerpuntenvastgesteld. Er wordt samen met (regionale) bedrijven enstudenten praktijkgericht onderzoek verricht, dat mogelijktot innovaties leidt en dat ten goede moet komen van hetonderwijs in bredere zin. Dit project vormt daar een mooivoorbeeld van.Voor dit onderzoek`Composiet gewapende elastomeeroplegblokken'is gebruikgemaakt van onderzoeksubsidie inhet kader van het topsectorenbeleid. Dit onderzoek heeftkunnen plaatsvinden door TechForFuture, een initiatief vanSaxion en Windesheim en is mede mogelijk gemaakt doorde provincie Overijssel voor onderzoek op het gebied vanhightech materialen.Huidige situatieOpleggingen onder viaducten bestaan doorgaans uit rubberenoplegblokken die met staalplaten zijn gewapend. Deze opleg-blokken hebben een gelamineerde opbouw van staal- enrubberlagen en daar rondom heen een dunne rubberen omhul-ling met een conserverende functie. De stalen wapeningsplatenzorgen dat het rubber onder verticale belasting niet te veelvervormt (uitbuiken in delen, foto 8). Onder horizontale belas-ting vervormt een al dan niet gewapend oplegblok relatiefgemakkelijk (foto 2).Huidige oplegblokken bestaan uit S235 wapeningsplaten mettussenlagen natuurrubber (NR) of chloropreenrubber (CR) eneen CR omhullingslaag, die integraal gevulkaniseerd zijn. Deomhulling bedraagt minimaal 2,5 mm aan boven- en onder-zijde en minimaal 4 mm aan de zijkanten [1].De vereiste levensduur van opleggingen bedraagt 25 jaar.Rubberen oplegblokken hebben een verwachte levensduur vanruwweg 50 jaar. Omdat een brugdek echter een vereiste levens-duur van 100 jaar kent, moeten opleggingen toegankelijk,inspecteerbaar en vervangbaar zijn [2].BezwijkvormenAls er scheuren of delaminaties in de rubberomhullingontstaan, kunnen de staalplaten gaan corroderen, zeker onderinvloed van water met dooizouten dat via lekke voegovergan-gen langs opleggingen kan lopen. Scheuren kunnen ontstaan2Opleggingen met 100 jaar levensduur!?20154De geselecteerde lijmen zijn een koud vulkaniserende rubberlijmen een tweecomponenten-epoxylijm. Deze selectie heeft plaatsge-vonden in overleg met specialisten van ETE van UTwente en vanKiwa. Voor het rubber is zowel massief als geperforeerd rubber(20% gestanste gaatjes) toegepast (Vilton). Geperforeerd rubberkan bij druk intern uitzetten, waardoor de lijmlaag mogelijkminder zwaar wordt belast.Vulkaniseren is verricht tot circa 150 ?C en een einddruk van200 bar. Alle wapeningslagen zijn vooraf voorzien van de voorstaal gebruikelijke primer en hechtlaag. Alle gevulkaniseerdetestblokken zijn door waterstraalsnijden uit een grote gevulka-niseerde plaat van 600 ? 600 mm2gesneden. De gelijmde platenzijn op beoogde grootte gemaakt. Sommige testblokken metstalen en RVS wapeningsplaten hadden een rubberomhullingaan ??n zijde om de gebroken kanten van de wapeningsplaten.ProevenEr zijn proeven conform EN 1337-3 uitgevoerd op druk enafschuiving. De drukproef reikte tot maximaal 20 N/mm2. Deafschuifproef geschiedde onder een verticale druk van 12 N/mm2totdat een horizontale verplaatsing werd bereikt van 2,0 maalde totale rubberdikte: voor de testblokken 20 mm. De maximalehorizontale verplaatsing moest 5 minuten worden aangehouden.Voor de afschuifproef is gebruikgemaakt van de proefopstellingals gevisualiseerd in figuur 7. Hierin zijn twee oplegblokkentegelijk belast op afschuiving. Alle proeven zijn in drievouduitgevoerd.6) en RVS. Staal is meegenomen als referentiemateriaal.Ook is gekeken naar een alternatieve verbindingswijze tussenrubber en VVK-wapeningsplaten: lijmen in plaats van vulkaniseren.Materialen en verbindingswijzenVan de geselecteerde alternatieven zijn testblokken gemaaktvan 100 ? 100 mm2met twee rubberlagen van elk 5 mm dik endrie wapeningsplaten van elk 2 mm dik (vereiste minimaledikte), veelal zonder omhulling.De VVK-platen, met circa 50% glasvezelvolume (type E) aan uni-directionele (UD) legsels, zijn gedimensioneerd op sterkte met debelasting uit de norm voor elastomeer opleggingen, EN 1337-3.De capaciteit is bepaald met behulp van CUR-Aanbeveling 96 ?Vezelversterkte kunststoffen in Civiele draagconstructies. Puurvoor sterkte blijken de VVK-platen (1,9 mm) iets dikker temoeten worden dan stalen wapeningsplaten (1,2 mm). Ditvanwege grotere factoren (materiaal en conversiefactoren) aande materiaalzijde en omdat de vezels over twee orthogonalerichtingen moeten worden verdeeld. Bij de berekende diktenverlengt de stalen plaat van 100 mm circa 0,1 mm en de VVK-plaat circa 0,8 mm. Voor de testblokken is de minimumwape-ningsplaatdikte van 2 mm maatgevend, waardoor kleinereverlengingen ontstaan.Omdat bij vulkaniseren de temperatuur oploopt tot circa 150 ?C,is voor de gevulkaniseerde oplegblokken voor het kunststof eenthermohardende onverzadigde polyester urethaanhars toege-past, en voor de gelijmde blokken een onverzadigde polyester-hars. Dit in overleg met specialisten van DSM CompositeResins, die ook de materialen en de werkplaats ter beschikkinghebben gesteld om de VVK-platen te maken.3a3b4Opleggingen met 100 jaar levensduur!? 2015 53, 4, 5 Bezwijkvormen oplegblokken: (3) ozonaanstasting, (4) overbelasting,(5) loslaten van de omhulling6 Oplegblok met VVK als alternatief materiaal voor de internewapeningsplatenomhulling zat, ontstonden aan die zijde geen scheurtjes in hetrubber (foto 9b).Van de oplegblokken met VVK vertoonden sommige lagenonthechting aan de randen vanaf een horizontale verplaatsingvan ongeveer 1,8 maal de totale rubberhoogte. Dit betrof echteralle testblokken zonder omhulling.Life Cycle CostingDe geraamde levenscycluskosten zijn bepaald en vergelekenvoor een concrete case. Dit betreft het viaduct Zuiderpark inhet project A15 Maasvlakte Vaanplein. Het viaduct kent eenoverspanning van ruim 30 m. Het viaduct omvat twee prefabResultaten van proeven met gelijmde testblokkenMet epoxylijm gelijmde oplegblokken met massief rubber enVVK vertoonden bij een vlaktedruk van 15 N/mm2enigeonthechting langs de randen. Plaatselijk buikte het rubberrechtstandig in plaats van bollend uit. De onthechting nam toebij 20 N/mm2en bij enkele malen herhalen van de drukproe-ven. De testblokken met geperforeerd rubber vertoondenhetzelfde beeld. De koud vulkaniserende lijm gaf vergelijkbareresultaten.Bij afschuifproeven bezweken beide gelijmde verbindingen alvanaf een horizontale verplaatsing van circa 0,2 maal de totalerubberdikte.Resultaten van proeven met gevulkaniseerdetestblokkenDe gevulkaniseerde testblokken met staal, RVS en VVKvertoonden bij de drukproef geen tekenen van bezwijken. Derubberen tussenlagen buikten aan alle zijden gelijkmatig bollenduit zonder dat er scheurvorming of onthechting optrad (foto 8).Alle oplegblokken met staal en RVS haalden in eerste instantiede gestelde eis van de horizontale verplaatsing van 2,0 maal detotale rubberdikte (foto 9a). Bij het aanhouden van de maxi-male verplaatsing begonnen bij een aantal proefstukken opsommige plaatsen langs de randen kleine scheurtjes te ontstaanin het rubber. Bij testblokken waarbij aan ??n zijde een rubber-56Opleggingen met 100 jaar levensduur!?201567 Proefopstelling afschuiving8 Resultaat proeven met epoxylijm gelijmde testblokken met massief rubberen VVKnetto contant waarde bepaald met behulp van 4% rente en 2%inflatie. De aangehouden kostenposten zijn: leveren en aanbren-gen van opleggingen (incl. scheggen), en voor de variant metstalen platen nogmaals leveren en vervangen van oplegblokkeninclusief opvijzelen van het brugdek en bijkomende zaken.De resultaten van de levenscycluskosten zijn samengevat in eenstaafdiagram (fig. 10).De alternatieve varianten voor de case kosten ruwweg tussende 13 000,- en 15 000,-, waarvan de gevulkaniseerde VVK-oplegblokken de goedkoopste variant is. De kosten in de gehelecyclus zijn daarbij gelijk aan de initi?le kosten.De nulvariant met staal kost in de gehele levenscyclus circa 21 000,-, waarvan 11 000,- initi?le kosten en 10 000 opzijgezet om hiermee na 50 jaar 27 500,- te kunnen betalen.ConclusiesProeven met gelijmde oplegblokken zonder rubberomhullinglaten zien dat deze niet voldoen aan de gestelde eisen in EN 1337-3.Proeven met gevulkaniseerde oplegblokken zonder rubberom-hulling laten zien dat:? oplegblokken met wapeningsplaten van staal (referentie)en RVS in eerste instantie voldoen aan de gestelde afschuif-eisen. Bij 5 minuten wachten, scheuren sommige hechtlagenalsnog in;? oplegblokken met wapeningsplaten van UD-glasvezel bijnavoldoen aan de gestelde afschuifeisen.Proeven met gevulkaniseerde oplegblokken met aan ??n randeen rubberomhulling laten zien dat deze voldoen aan deDiscussieEN1337-3 zou voor wapening materiaalonafhankelijk moetenworden, waarbij ten behoeve van minder stijve materialen alsVVK eventueel stijfheidseisen moeten worden geformuleerd.Dit kan tevens de weg openen voor onderzoek naar oplegblok-ken met wapening van diverse lagen vezellegsels die recht-streeks aan het rubber worden gevulkaniseerd.liggerdekken (dekbreedte 15 m resp. 60 m). Er zijn in totaal 56liggers toegepast met elk twee oplegblokken, bijna alle metafmeting 500 ? 150 ? 41 mm. Elk oplegblok is voorzien vanvier wapeningsplaten met daartussen drie lagen van 8 mmrubber en rondom aan de buitenzijden een dunne rubberom-hulling.Voor de case is een levensduur van 100 jaar aangehouden, vooroplegblokken met stalen platen 50 jaar en voor oplegblokkenmet RVS en VVK-platen 100 jaar. Van toekomstige kosten is de78Opleggingen met 100 jaar levensduur!? 2015 7 - 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000staal gevulkaniseerd initi?le kostenVVK gevulkaniseerd LCCRVS gevulkaniseerd LCCVVK gelijmd LCCLCC staal gevulkaniseerd LCC9 Resultaat proeven met gevulkaniseerdetestblokken met staal, RVS en VVK10 Resultaten van de levenscycluskostenAanbevelingenAanbevolen wordt een nulserie te maken van gevulkaniseerde,VVK-gewapende oplegblokken m?t omhulling en deze teonderwerpen aan aanvullende proeven, conform EN 1337-3:? statische afschuifproeven tot 2,0 maal totale rubberdikteconform EN 1337-3 art. 4.3.2.1;? idem, maar na 3 dagen op 70 ?C (kunstmatig verouderd)conform EN 1337-3 art. 4.3.2.2;? vermoeiingsproeven conform EN 1337-3 art. 4.3.4 (2 miljoenwisselingen van 7,5 tot 25 N/mm2);? afschuifproeven tot 0,7 maal totale rubberdikte na ozonbelas-ting (72 h met 50 pphm) conform EN 1337-3 art. 4.3.6.Om spanningsconcentraties in de interface tussen rubber enwapeningsplaat te beperken, wordt aanbevolen de wapenings-plaatranden af te ronden (`kanten te breken').Aansluitend kunnen in een pilotproject enkele opleggingenworden uitgevoerd met gevulkaniseerde, VVK-gewapenderubberoplegblokken met rubberomhulling en kan dit projectworden gemonitord. LITERATUUR1 NEN-EN 1337-3:2005 Opleggingen voor bouwkundige en civieltech-nische toepassingen - Deel 3: Opleggingen van elastomeren.2 RTD 1001:2013 Richtlijnen Ontwerpen Kunstwerken 1.2, Rijkswater-staat.3 RTD 1017-2 Handleiding CRIAM Rubber Oplegblokken betoncon-structies 1.0, Rijkswaterstaat, 2013.4 Bosman, P., Schreuder, P., Composiet gewapende elastomeer opleg-blokken. Hogeschool Windesheim, december 2014.afschuifeisen. Een ge?ntegreerde verticale rubberomhullingdraagt dus ook bij aan de horizontale aanhechting van derubberlamellen.Gevulkaniseerde VVK-gewapende oplegblokken zijn econo-misch gezien zeer aantrekkelijk zodra de totale levenscyclus-kosten in beschouwing worden genomen. De kosten bedragenslechts 110% van de initi?le kosten van de referentievariant:staalgewapende oplegblokken. RVS gewapende oplegblokkenzijn circa 120% van initi?le kosten van de nulvariant. Wanneertoekomstige vervangingskosten worden meegenomen, blijkt dereferentievariant nogmaals meer dan 100% te kosten in delevenscyclus.109a 9b
Reacties