thema UHSB op weg naar regelgeving 6 2 0 12 50 thema UHSB op weg naar regelgeving Ultra-hogesterktebeton is een materiaal met een groot potentieel voor het ontwikkelen van innova- tieve constructies. Om dit potentieel op grotere schaal om te zetten in realisaties is het echter nood- zakelijk over ontwerprichtlijnen te beschikken. Zulke richtlijnen moeten niet alleen rekening houden met de eigenschappen van het materiaal, maar ook met maatschappelijke ontwikkelingen. In dit artikel wordt ingegaan op de ontwikkeling van richtlijnen voor ultra-hogesterktebeton. 1 Ontwikkeling internationale richtlijnen voor UHSB vergevorderd 50_55 10_Regelgeving.indd 50 13-09-2012 09:20:43 UHSB op weg naar regelgeving6 2 0 12 51 b TG 8.3 FRC b TG 8.6 UHPFRC C200 C80 C20 C180 1 Prefab voorgespannen UHSB liggers in Pont Pinel in Rouen, Frankrijk [2] 2 Vele toepassingen tussen sterkteklasse C80 en C160, zoals brugdekken en dam- wanden, vallen buiten het werkveld van de fib-werk- groepen TG 8.3 (conventio- neel vezelbeton) en TG 8.6 (UHSB) foto rechts: Ineke Key / Spanbeton In de toekomst zullen de belangrijkste ontwerpcriteria niet alleen verband houden met de constructieve veiligheid en bruikbaarheid, maar ook met duurzaamheid en 'houdbaarheid' (sustainability). Een norm voor ultra-hogesterktebeton (UHSB) zou geen op zichzelf staand document mogen zijn. Zo'n norm moet harmonisch worden ingepast in het grotere gebied van ontwerpen met vezelversterkt beton. Verder moet dit weer passen in het nog grotere gebied van het ontwerpen van constructies in constructief beton. Hiermee komt de weg open te liggen voor 'hybride constructies', waarbij de voordelen van de toepassing van vezels wrijvingsloos worden gecombineerd met die van betonstaal en voorspanstaal. Normen voor constructief ontwerpen en dimensioneren Ontwerprichtlijnen voor constructief beton hebben een lange voorgeschiedenis. Deze richtlijnen moeten ons de garantie geven dat de constructies waarin wij leven en werken en de bruggen en tunnels die wij gebruiken voor transport veilig en gebruiks- vriendelijk zijn. De ervaring van de laatste tientallen jaren leerde ons bovendien dat ook het aspect duurzaamheid een belangrijke plaats moet innemen. De nieuwste richtlijnen verschillen daarom van hun voorgangers in hun benadering van het aspect 'tijd': constructies moeten worden ontworpen met voldoende construc- tieve veiligheid en bruikbaarheid voor een gespecificeerde tijds- periode (de ontwerplevensduur). In de onlangs gepubliceerde 'Model Code for Concrete Structures' [1], het document waarin regelgeving is opgenomen die is gebaseerd op de nieuwste inzich- ten en die een basis kan vormen voor nieuwe regelgeving, is het ontwerpen op levensduur de rode draad. Een andere belangrijke factor in hedendaagse normen is de internationalisatie. Na een lange periode waarin nationale normen de dienst van het ontwer -pen en construeren uitmaakten, voltrekt zich in een hoog tempo een internationalisering van de normen. Inmiddels zijn in Neder - land de Eurocodes ingevoerd. Dat betekent dat ook richtlijnen die betrekking hebben op bijzondere constructietechnieken, waaron- der vezelbeton, een internationaal karakter zullen moeten krijgen. Uitgangspunten voor een moderne norm zijn: ? Normen moeten een goede basis hebben. Zij moeten volgen uit transparante gedragsmodellen en helder omschreven materiaalkundige, mechanische en fysische grondslagen. ? Normen moeten flexibel zijn. Zij moeten niet noodzakelijkerwijs worden beperkt tot één enkelvoudige benaderingswijze. Eenvoudige modellen kunnen worden gebruikt voor dagelijks gebruik en meer geavanceerde modellen voor niet-traditionele constructies of oude reconstructies waarvan de constructieve veiligheid zo nauwkeurig mogelijk moet worden bepaald. ? De rekenmodellen in een norm moeten transparant zijn. Dit is noodzakelijk omdat in de praktijk van het construeren een breed spectrum aan complicaties kan optreden, waarbij het ontwerp moet worden gebaseerd op inzicht in het gedrag en niet op het blind volgen van ondoorzichtige rekenregels. ? De rekenmodellen moeten worden gebaseerd op de state-of- the-art. Nieuwe ontwikkelingen moeten zoveel mogelijk zijn meege- nomen, maar niet ten koste van ongewenste complexiteit. ? Normen moeten zoveel mogelijk een integrale benadering van het construeren mogelijk maken. Combinaties van technologieën en materialen bieden speciale kansen (zoals in Pont Pinel, foto 1). Daarom is harmonisatie tussen constructief ontwerpen en dimensio- neren in verschillende materialen en technieken een must. prof.dr.ir.Dr.-Ing. h.c. Joost Walraven TU Delft, fac. CiTG 2 50_55 10_Regelgeving.indd 51 13-09-2012 09:20:47 thema UHSB op weg naar regelgeving 6 2 0 12 52 P P P/2 P/2 P P P P P P/2 P/2 P P P Om het probleem van het tussengebied het hoofd te bieden, werd voorgesteld niet uit te gaan van een sterktecriterium, maar onderscheid te maken in 'softening' en 'hardening' vezel- betonsoorten. Softening wordt gekarakteriseerd door een spanningsterugval na het bereiken van de treksterkte, terwijl hardening wordt gekarakteriseerd door het verder toenemen van de spanning na de eerste scheurvorming. Helaas bleek ook dit idee niet helemaal praktisch te zijn, zoals blijkt uit figuur 3. Softening bij éénassige trek kan gepaard gaan met hardening bij buiging. Verder kan softening bij buiging samengaan met hardening bij een constructief element. Het volgende idee was daarom een integrale ontwerp- en dimensioneringsrichtlijn te ontwikkelen, met een toepassings- gebied van C20 tot C200. Dit bleek echter niet acceptabel voor een aantal leden van beide werkgroepen, om verschillende redenen. Leden van TG 8.3 voerden aan dat jarenlang veel energie was gestoken in het ontwikkelen van een betrouwbare norm voor het ontwerpen en dimensioneren van constructies uit conventioneel vezelversterkt beton. Er bestond bovendien al veel praktische ervaring en deze richtlijn (RILEM TC 162) was al verregaand geharmoniseerd met de Eurocode Beton- constructies. Leden van TG 8.6 (UHSB) voerden aan dat ultra- hogesterktevezelbeton substantieel verschilt van conventioneel beton, zowel qua eigenschappen als qua productiemethode. De high-tech eigenschappen en gevoeligheid van de productie- methode van UHSB zouden niet goed passen bij het meer massieve en robuuste karakter van traditioneel vezelbeton. Verder was men bang dat de harmonisering van UHSB met traditioneel vezelbeton de marktpositie van het speciale materiaal UHSB negatief zou beïnvloeden vanwege een te conservatieve generalisering van de eigenschappen. Overwegingen bij richtlijn voor UHSB De geschiedenis van UHSB is opmerkelijk. De ontwikkeling van conventioneel vezelbeton gaat terug naar 1970. Veel normen- commissies hebben zich met dit materiaal beziggehouden en hebben regelgeving geproduceerd. Dit betreft zelfs internatio- nale regelgeving, zoals de aanbevelingen opgesteld door RILEM TC 162-TDF. De focus van deze aanbeveling betreft beton in de traditionele sterkteklassen tot maximaal C80/95. Vanwege de grenzen aan de verwerkbaarheid van vezelbeton was het staal- vezelgehalte zelden hoger dan 80 kg/m 3. In tegenstelling tot de meeste technologieën, waar de ontwikke- ling geleidelijk gaat, werd de ontwikkeling van UHSB geken- merkt door een technologische sprong. Publicaties over nieuwe UHSB-mengsels met cilindersterkten in de orde van 180 tot 200 MPa verschenen in het begin van de jaren negentig. Het grote verschil in eigenschappen tussen conventioneel vezel- beton en ultra-hogesterktevezelbeton (UHSB) leidde tot een behandeling van deze vezelbetonsoorten in verschillende commissies. Een voorbeeld is fib , de internationale federatie voor constructief beton, waarbij conventioneel vezelbeton wordt behandeld in werkgroep TG 8.3 en UHSB in werkgroep TG 8.6. Het lag voor de hand dat de werkgebieden, en vooral de grens daartussen, al snel onderwerp van discussie werden. Het eerste voorstel was het werkgebied van TG 8.3 te beperken tot beton met een maximale sterkteklasse C80/95 en het werk- gebied van TG 8.6 te beperken met een minimale betonsterkte- klasse C180. Dit bleek echter al snel geen goed idee te zijn, want dat zou betekenen dat er een lacune zou ontstaan tussen de twee vezelbetonsoorten. Dat zou bijzonder jammer zijn, omdat juist in dit tussengebied veel interessante toepassingen liggen. Figuur 2 toont het verschil in focus van de twee werk- groepen in combinatie met enkele heel interessante en actuele toepassingen in het tussengebied. Zo'n toepassing is bijvoor- beeld het versterken van oude stalen bruggen met een constructieve laag van vezelversterkt beton, die niet per se in UHSB hoeft te worden uitgevoerd. UHSB zou namelijk leiden tot een zeer dunne overlaging, die het nadeel zou hebben dat, door de beperkte toevoeging aan gewicht, de spannings- variaties in de stalen liggers ? de oorzaak van vermoeiings- scheuren ? onvoldoende zouden worden gereduceerd. Een constructieve overlaging in beton met sterkteklasse C120 tot C140 leidt tot het optimale compromis tussen massa, duur- zaamheid, slijtweerstand en kosten. Soortgelijke argumenten gelden ook voor geprefabriceerde UHSB damwanden die worden geproduceerd in een sterkteklasse C130 (foto 8). 3 50_55 10_Regelgeving.indd 52 13-09-2012 09:20:47 UHSB op weg naar regelgeving6 2 0 12 53 250 150 25025 150 25 A F/b 75 75 doorsnedeA-A A F last F CMOD [mm] CMOD 1 = 0,5 F 1F2 F3 F4 CMOD 2 = 1,5 CMOD 3 = 2,5 CMOD 4 = 3,5 3 Softening- tegenover har- dening-gedrag onder een- assige trek (links), buiging (midden) en op het niveau van een betonelement (rechts) 4 Standaard buigproef op een gekerfde balk volgens EN 14651 5 F-CMOD-relatie voor vezel- versterkt beton aangenomen gedragsklasse. In feite is een dergelijke procedure al jaren gangbaar voor constructies uit gewapend en voor- gespannen beton, waar door het uitvoeren van een kubus- of cilinderdrukproef moet worden aangetoond dat de bij het ontwerp aangenomen sterkteklasse ook werkelijk is gehaald. Figuur 4 toont de standaardproef die voor vezelbeton wordt gebruikt (in overeenstemming met EN 14651, dimensies in mm). Figuur 5 toont de relatie tussen last (F ) en 'Crack Mode Opening Displacement' (CMOD). Dit komt overeen met de opening van de scheur ter plaatse van de kerf (doorsnede A in fig. 4). Op grond van de F-CMOD-relatie worden waarden voor de buigtreksterkte f R,j afgeleid voor een set CMOD j-waarden, via de relatie: fR,j = 3F jl ______ 2b h 2 sp waarin: f R,j = buigtrekspanning [N/mm 2] na scheurvorming beho- rend bij CMOD = CMOD j; F j = last [N] behorend bij CMOD = CMOD j; l = spanwijdte balk [mm]; b = balkbreedte [mm]; h sp = afstand tussen de top van de kerf en de bovenkant van de balk (125 mm). De classificatie van het vezelbeton wordt gebaseerd op de waarden f R,j corresponderend met CMOD 1 (= 0,5 mm) en CMOD 3 (= 2,5 mm). Voor het classificeren van de nascheursterkte van vezelbeton wordt een lineair-elastische relatie aangenomen, door uit te gaan van de karakteristieke nascheursterkte voor de bruikbaar- heidsgrenstoestand (f R1,k ) en de uiterste grenstoestand (f R3,k ). Voor de bepaling van de gedragsklasse zijn twee parameters relevant, te weten f R1,k (representatief voor het sterkte-interval) en de letters a, b, c, d of e (representatief voor de verhouding f R3,k / fR1,k ). Het sterkte-interval wordt gedefinieerd door twee opeen- volgende getallen in de serie: 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 [N/mm 2]. Inmiddels was het werk aan de fib Model Code 2010 op gang gekomen, waarbij de doelstelling was geformuleerd om ontwerp- en dimensioneringsmethoden aan te bieden met verschillende niveaus van nauwkeurigheid. Eenvoudige metho- den zouden hun diensten kunnen bewijzen voor alledaagse constructies zonder grote complexiteit. Meer geavanceerde methoden zouden hun diensten kunnen bewijzen wanneer scherp zou moeten worden gedimensioneerd met optimaal gebruik van de voordelen van bijzonder hoogwaardige materia- len. Daarom werd besloten een voor alle soorten vezelbeton algemeen geldende richtlijn te ontwikkelen in het kader van de fib Model Code 2010 en een speciaal op UHSB toegesneden norm uit te brengen onder auspiciën van TG 8.6. Algemene richtlijn voor alle soorten vezelbeton In de fib Model Code 2010 is de aanbeveling voor vezel- versterkt beton geïntegreerd in een bredere richtlijn voor constructief beton. Als zodanig kunnen vezels worden gebruikt als de enige wapening, maar ook in combinatie met wapening- en voorspanstaal. Verder geldt de richtlijn voor elke beton- sterkte, dus er wordt geen onderscheid gemaakt tussen conven- tioneel vezelbeton, hogesterkte- en zeer-hogesterktevezelbeton. Een nieuw aspect is dat vezelbeton wordt geclassificeerd in een systeem van gedragsklassen. Op deze basis kan de constructeur een gedragsklasse kiezen en de berekeningen uitvoeren op basis van deze gekozen klasse. In tegenstelling tot bij gewapend beton, waarbij alleen van betonsterkteklassen wordt uitgegaan, gaat het bij vezelbeton zowel om de sterkte als om het nascheurgedrag, uitgedrukt door de spanning-rekrelatie (of de spanning-scheuropeningrelatie). Als onderdeel van het ontwerp en bouwproces moet door standaardproeven worden aangetoond dat het materiaal overeenkomt met de voordien 5 4 50_55 10_Regelgeving.indd 53 13-09-2012 09:20:48 thema UHSB op weg naar regelgeving 6 2 0 12 54 W w u fFtu fFtu fFtu hardening-gedrag na scheurvorming softening-gedrag na scheurvorming f Ftu fFts wu star-plastisch W 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 4 8 12 16 20 doorbuiging [mm] buigend moment [kNm] waarin: s min = gemiddelde afstand tussen scheuren; y = afstand tussen neutrale lijn en meest getrokken vezel in de doorsnede. Genoemd werd reeds de oriëntatiefactor K , die in rekening brengt dat de oriëntatie van de vezels kan afwijken van de meestal aangenomen homogene 3D-verdeling. Dit beïnvloedt de mechanische eigenschappen van het vezelbeton. Een voorbeeld hiervan geeft figuur 7, waarin de bekisting voor een dun plaat- vormig proefstuk wordt getoond. In de hoofdrichting is beton- staal aangebracht. Het UHSB wordt op verschillende manieren in de bekisting gestort. Storten in de x-richting blijkt een duidelijk hoger draagvermogen op te leveren dan storten in de y-richting. Door het geven van vereenvoudigde relaties voor het effect van vezels, als aangegeven in het voorgaande deel, is het niet alleen mogelijk om constructies te ontwerpen en dimensioneren met alleen staalvezels als wapening, maar ook constructies met combinaties van vezels en conventionele wapening. Aanbeveling voor UHSB, in het bijzonder volgens fib TG 8.6 fib TG 8.6 concentreert zich op een aanbeveling die speciaal is toegesneden op het ontwerpen en dimensioneren van UHSB- constructies. Hierbij wordt ook ingegaan op aspecten die UHSB bijzonder interessant maken, zoals de fysische eigen- schappen die de duurzaamheid beïnvloeden. Wat betreft de mechanische eigenschappen wordt verwacht dat het effect van de vezeloriëntatie in UHSB, door de bijzondere rheologische eigenschappen van het materiaal, een grotere invloed heeft op de mechanische eigenschappen dan in conventioneel vezelbeton. Dit kan vooral voor dunne elemen- ten een rol spelen. Daarom wordt voor de bepaling van de materiaaleigenschappen onderscheid gemaakt tussen dunne en dikke constructie-elementen. Voor het dimensioneren van dunne elementen, waarbij volgens de definitie de dikte kleiner is dan driemaal de vezellengte, wordt onderscheid gemaakt tussen twee methoden voor vast- stelling van het gedrag op trek: Terwijl de letters a, b, c, d, e corresponderen met de nascheur- sterkte volgens: a voor 0,5 ? f R3,k ? 0,7 b voor 0,7 ? f R3,k ? 0,9 c voor 0,9 ? f R3,k ? 1,1 d voor 1,1 ? f R3,k ? 1,3 e voor f R3,k > 1,3 Als bijvoorbeeld een vezelbetonsoort wordt geclassificeerd met de code '3b', dan houdt dat in dat de treksterkte ligt tussen 3 en 4 N/mm 2 en dat de verhouding f R3,k / fR1,k ligt tussen 0,7 en 0,9. Op grond van de buigproef worden twee vereenvoudigde spanning- scheuropeningrelaties afgeleid. Figuur 6 toont een star-plastische relatie, of een lineaire nascheurrelatie (softening of hardening). Hierin is f Fts de nascheursterkte voor de bruikbaarheidsgrens- toestand en f Ftu de nascheursterkte voor de uiterste grenstoestand. De getrokken en de gestippelde lijnen hebben respectievelijk betrekking op softening- en hardening-gedrag na scheurvorming. Vastgesteld is dat het gedrag in een standaardbalk als weer- gegeven in figuur 4 en het gedrag in een constructiedeel aanmer - kelijk kunnen verschillen. Daarom moet de invloed van de productiemethode en de betonconsistentie door de constructeur in acht worden genomen. Dit kan gebeuren via een vezeloriënta- tiefactor, of via een test op het constructiedeel, wat bij geprefabri- ceerde elementen wel wordt gedaan ('design by testing'). Op deze wijze kan men nagaan welke productiemethode voor het element en de beoogde toepassing de gunstigste resultaten levert. De meeste constructeurs zijn niet gewend om te werken met een spanning-scheurwijdterelatie. Daarom kan deze relatie worden omgewerkt naar een spanning-rekrelatie via: ? = w/l cs waarin: w = scheurwijdte; l cs = 'karakteristieke lengte' voor de beschouwde situatie, gedefinieerd als: l cs = min{s min,y} 6 7 50_55 10_Regelgeving.indd 54 13-09-2012 09:20:48 UHSB op weg naar regelgeving6 2 0 12 55 h 20h 8L 1 6 Vereenvoudigde nascheur- spanning-scheuropening- relaties 7 Verschillen in effectiviteit van staalvezels door ver- schillend storten 8 Betonnen damwanden aan de Lisserweg foto: Ineke Key / Spanbeton9 Standaardtest op dun element (h ? 3L f) De hier beschreven methode is gebaseerd op de al een aantal jaren in Frankrijk gehanteerde Franse Aanbeveling [3]. Een herziene vorm van deze norm zal dit jaar worden gepubliceerd. Daarnaast zullen binnenkort de resultaten van een zes jaar durend grootschalig onderzoeksproject in Duitsland (investe- ring ? 10 miljoen) worden gepubliceerd. Deze informatie zal door fib TG 8.6 worden gebruikt om de geplande internationale richtlijn voor UHSB te completeren en in 2013 uit te brengen. Conclusies Internationale richtlijnen voor UHSB zijn in een verre staat van ontwikkeling. In de fib Model Code for Concrete Structures 2010 wordt een algemene methode gegeven, geldig voor alle typen vezelbeton in de sterkteklassen tussen C20 en C200. Vereenvoudigde methoden worden gegeven, waarmee constructeurs vezels als alternatief of complementaire wape- ning naast betonstaalwapening kunnen hanteren. fib Task Group 8.6 bereidt een richtlijn voor die speciaal is toegesneden op ultra-hogesterktevezelbeton. Deze richtlijn wordt in 2013 verwacht. ? a Buigproeven worden uitgevoerd op dunne gestandaardi- seerde elementen, zoals aangegeven in figuur 9. Door het op deze wijze uitvoeren van de test zullen de spanning- rekrelaties het effect van de geringe doorsnedehoogte op de vezeloriëntatie (tendens van 3D naar 2D) impliciet mee krijgen. b Het constructieve element kan als geheel worden getest volgens de principes van 'design by testing'. Deze methode biedt het voordeel dat het effect van het storten en mecha- nisch verdichten impliciet wordt meegenomen en dat de test zelfs kan worden gebruikt om verschillende productiemetho- den te vergelijken en het mechanisch gedrag te optimaliseren. Voor het gedrag van dikke elementen (h ? 3L f) wordt de volgende procedure aanbevolen: Stort een prisma en breng een kerf aan. Voer een buigproef uit. Bepaal de nascheurtrek- spanning-scheurwijdterelatie (?-w) door inverse analyse. Corrigeer deze relatie verkregen uit de tests met informatie verkregen via prisma's gezaagd uit een prototype van het te vervaardigen element en introduceer op grond hiervan de vezeloriëntatiefactor 1/K. Voor de spanning-scheurwijdterelatie en de spanning-rekrelaties op trek wordt een bi-lineaire relatie aangehouden. ?? LIteratuur 1 fib Model Code 2010. fib Bulletins 65 and 66, International Federation for Structural Concrete (fib), 2012. 2 Thibault, T., Prestressed beams as an alternative to composite steel- concrete decks: the example of the Pont Pinel (France). fib Conference ' Tailor made concrete structures', proceedings, pp. 1077- 1083, Amsterdam, 2008. 3 Resplendino, J., Petitjean, L., et al., Ultra high performance fiber- reinforced concretes: Interim recommendations. AFGC/Setra, Bagneux, France, January 2002. 8 9 50_55 10_Regelgeving.indd 55 13-09-2012 09:20:51