Verkeers trillingen en jong beton 1 2012 | online online Verkeers trillingen en jong beton In 2008 is de Hollandse Brug in rijksweg A6 onder - houden en versterkt. Strukton Civiel heeft in samenwerking met de Technische Universiteit Delft onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om verkeershinder tijdens het uitvoeringsproces van een betonnen overlaging te beperken. Dit vijfde en laatste deel van de serie beschrijft de resultaten van het laboratoriumonderzoek naar het effect van verkeerstrillingen op verhardend beton. Ook worden conclusies gegeven van het gehele het onderzoek. 1 Onderzoek effect van verkeerstrillingen op onderhoud kunstwerken (5) Dit is het vijfde en laatste artikel in een serie over het onderzoek naar het effect van verkeerstrillingen op het verhardingsgedrag van jong beton. In de eerst vier delen ging het om: ? inleiding case Hollandse Brug; ? probleemdefinitie en doelstelling; ? ontwerp en functionaliteiten van het monitoringsysteem; ? meetsysteem; ? modellering van interactie voertuig-brug; ? monitoring rek- en trillingswaarden. In dit vijfde deel komen aan bod: ? laboratoriumonderzoek naar het effect van verkeerstrillingen op verhardend beton; ? conclusies uit het onderzoek en toekomstvisie. Verkeers trillingen en jong beton 2 2012 | online 1 Hollandse brug 2 Storten van de overlaging [4] 3 Opstelling voor reksimulatie [4] 4 Opstelling voor snelheidssimulatie [4] 5 Statisch onbepaalde proefopstelling [4] wordt opgelegd met een vijzel, die op basis van variabele oliedruk de kracht kan reguleren om zo de gewenste constructierespons te simuleren (fig. 3). De proefstukken voor de snelheidsproeven zijn korter gekozen om zo mogelijke rekverhogende traagheidseffecten van de vrije uiteinden te voorkomen (fig. 4). De rekwisselingen ten gevolge van verkeerstrillingen worden gesimuleerd via een snap-back systeem: de kracht wordt constant aangepast aan de gemeten vervorming van het proef- stuk. De snelheden worden gesimuleerd door de vijzelverplaat- sing als functie van de tijd te programmeren. De maximale rekwisselingen zullen in de praktijk optreden tijdens een file, terwijl de grootste verticale snelheden in het brugdek optreden wanneer er een kritisch voertuig met zeer hoge snelheid over de brug rijdt. Naast deze praktijkwaarden worden er ook extre- mere belastingen opgelegd. Belastingsprogramma Om de invloed van diverse parameters op de prestatie van het beton te onderzoeken, worden er proefseries uitgevoerd waarbij er telkens één parameter wordt gevarieerd, terwijl de overige parameters constant worden gehouden. Op deze wijze wordt de invloed onderzocht van de volgende parameters: ? verticale snelheid (deeltjessnelheid); ? rek; ? frequentie; ? statisch schema (statisch bepaald en statisch onbepaald (foto 5)); ? tijdstip van belasten (directe belasting of eerste dag geen belasting); ? oppervlaktebehandeling. 5 2 3 4 ir. Carlos Bosma, ir. Hessel Galenkamp, ing. Bas Obladen Strukton Civiel prof.dr.ir. Klaas van Breugel, dr.ir. Eddy Koenders TU Delft, fac. CiTG Om het verhardingsgedrag van beton bij trillingen te onderzoe- ken, zijn diverse proeven uitgevoerd. Het belasten van proef- stukken met typische trillingskarakteristieken, zoals rek- en snelheidswaarden, vereist een nauwkeurige modellering van het systeem. Omdat maximale rekken en maximale snelheden niet gelijktijdig optreden, is ervoor gekozen deze fenomenen afzonderlijk te onderzoeken in aparte opstellingen. Proefopstelling De proefstukken bestaan elk uit een basisstuk van beton waarop een betonnen overlaging wordt aangebracht (foto 2). Deze overlaging wordt vlak vóór het belasten aangebracht door een scharnierende bekisting te bevestigen aan het basisstuk waarbinnen het beton wordt gestort. Op deze manier kan het beton verharden op het proefstuk terwijl het wordt belast. De belasting moet aan de onderkant van het beton worden inge- bracht omdat aan de bovenzijde het beton is gestort. De kracht Verkeers trillingen en jong beton 3 2012 | online online 2,8 2,55 2,3 2,05 1,8 1,55 1,3 2,8 2,55 2,3 2,05 1,8 1,55 1,3 2,8 2,55 2,3 2,05 1,8 1,55 1,3 2,8 2,55 2,3 2,05 1,8 1,55 1,3 105 mm/s 5Hz treksterkte [N/mm 2] treksterkte [N/mm 2] 70 mm/s 5Hz 70 mm/s 5Hz 70 mm/s 2,5Hz 35 mm/s 2,5Hz reference 0Hz 35 mm/s 5Hz 35 mm/s 5Hz reference 0Hz 6 Ingelijmd trekbalkje [4] 7 IRPS in normaal licht en UV-licht [4] 8 Treksterkteverdeling van snelheidproeven [4] 9 De invloed van frequentie op de treksterkte [4] 10 Vergrootte overgangszones (geel) [4] 11 Verticaal georiënteerde poreuze zones [4] per proef is vergroot, laat geen afname van de treksterkte zien ten opzichte van het referentiestuk De invloed van de trilsnelheid is verder onderzocht door vari- atie van frequentie en tijdstip van belasten. In figuur 9 is het resultaat weergegeven van de treksterktes uitgevoerd bij proeven met 2,5 Hz. In de resultaten is te zien dat de sterkte bij een maximale trilsnelheid van 35 mm/s en 2,5 Hz niet nadelig wordt beïnvloed en dat het resultaat van 70 mm/s bij 2,5 Hz vergelijkbaar is met dat van 35 mm/s bij 5 Hz. Dit beeld beves- tigt het vermoeden dat trillingen beter kunnen worden uitge- drukt in versnellingen. Optisch onderzoek Hoewel de interface nieuw beton-oud beton vaak als kritisch wordt aangemerkt, bleek deze zone niet nadelig te worden beïn- vloed door opgelegde trillingen. De samples die de grootste snel- heden hadden ondergaan, vertoonden daarentegen wel een vergrootte poreuze zone rondom de toeslagmaterialen. Door aaneenschakeling van deze poreuze overgangszones kan een faal- vlak naar deze locatie verschuiven. In de trekproeven werd dit waargenomen door een toenemend aantal faalvlakken binnen de overlaging, terwijl de referentieproef consequent op de interface nieuw beton-oud beton faalde. Het veranderen van faalvlak en afname van treksterkte werd niet teruggevonden in de samples die grote rekwisselingen hebben ondergaan (fig. 10). Proefstukverwerking Wanneer het beton van de overlaging drie dagen is belast, wordt het proefstuk uit de opstelling gehaald waarna er diverse samples uit het proefstuk worden gezaagd (foto 6). Er wordt onderscheid gemaakt tussen samples voor trekproeven en samples voor optisch onderzoek. Per proefstuk worden er acht samples gezaagd om de hechtsterkte tussen de overlaging en het basisstuk te bepalen. Om het optisch onderzoek uit te voeren worden er vijf IRPS-samples (Impregnated Reground Plane Sections) geprepareerd. Het prepa- ratieproces van deze samples bestaat uit het impregneren van het beton met een epoxyhars waarna de samples worden gepolijst. Na het polijsten kunnen de samples worden onderzocht onder de microscoop. Wanneer de samples onder UV-licht worden bekeken, worden indicatoren als scheurvorming, ontmenging, bleeding en poreuze delen geaccentueerd door een verhoogde harsconcentratie (foto 7). Door de samples van onbelaste proef- stukken te vergelijken met belaste proefstukken, ontstaat er inzicht in optredende schadebeelden. Resultaten trekproeven Om de spreiding in de resultaten van de trekproeven te beperken, is het belangrijk de proeven telkens op dezelfde manier uit te voeren. Uiteraard zal er altijd een zekere spreiding in de resultaten te vinden zijn. Om deze spreiding per proef weer te geven, zijn de resultaten als volgt weergegeven (fig. 8): de hoogste en laagste treksterkte zijn als lijn op het zwarte vlak weergegeven, de boven- en onderkant van dit zwarte vlak geven het bereik van de overige waarden aan, waarbinnen het gemiddelde van alle waarden met een wit vierkant is aangegeven. De resultaten van de snelheidsproefserie laten een duidelijke afnemende trend zien bij een toenemende trillingsnelheid en een vaste frequentie van 5 Hz. De proevenserie, waarbij de rek 6 7 8 9 Verkeers trillingen en jong beton 4 2012 | online Met de komst van de DBMFO-contracten hebben de overhe- den verantwoordelijkheden naar de publieke sector geschoven. Hiermee is de publieke sector geconfronteerd met enorme risi- co's betreffende deze DBMFO- en PPS-contracten, met als gevolg enorme innovatiebehoefte. De aanpak voor het beheer van infrastructuurnetwerken in termen van levensduurbenade- ring wordt voorzien als kosteneffectieve manier van beheer. Voor deze benadering zijn innovaties nodig. Het realiseren daarvan is een uitdaging voor de hele sector. Om invulling te geven aan de omschreven innovaties hebben verschillende partijen, geïnitieerd door Strukton Civiel en de Technische Universiteit Delft, een programma ingediend bij Technologie Stichting STW. Het programma (IS2C) 'Integral Solutions for Sustainable Construction' heeft de ambitie inno- vatieve oplossingen te zoeken om de mobiliteit op het Neder - landse wegen- en spoorwegennet te waarborgen. Onderzoeks- gebieden zijn: 'Sensing & Monitoring', 'Degradation Mecha- nisms' en 'Materials & Structures'. Verdere informatie is te vinden op de website van Technologie Stichting ST W. ? Toch werd in het optisch onderzoek wel gevonden dat er een vergroting ontstaat van verticaal georiënteerde, geconcentreerde poreuze zones (fig. 11). Door de continue lastwisselingen ontstaat er een zone waarbij de hydratatieproducten dus worden verstoord. De invloed van deze verstoring is zeer lokaal en door de verticale oriëntatie niet meetbaar in de trekproeven. Een mogelijke scheur ter plaatse van deze poreuze zone staat haaks op de richting van de belasting. De wapening zal de scheurwijdte controleren en de prestatie van de constructie is niet meetbaar beïnvloed. Conclusies uit het onderzoek en toekomstvisie Uit het uitgevoerde onderzoek en de vele praktijkmetingen zijn de volgende conclusies het meest aansprekend: ? De combinatie van modellering, monitoring en laboratori- umonderzoek geeft een bevredigend resultaat in deze speci- fieke situatie. In dit geval kan de verkeershinder worden geminimaliseerd op basis van inzicht in de relatie tussen belasting (verkeerstrillingen) en constructieve weerstand (kwaliteit jong beton). ? Het brugmonitoringsysteem kan worden gebruikt voor verschil - lende doeleinden: de registratie van verkeer door middel van 'Weigh in Motion', lange duur respons en modellering van het kunstwerk. Het systeem levert specifieke informatie voor rand- voorwaarden aan het laboratoriumonderzoek. ? Verkeerstrillingen van significante waarde zullen de (trek) sterkte van beton negatief beïnvloeden. Hoge deeltjessnelhe- den hebben de sterkte verminderd met een maximum van 28%. Belasting met hoge drukspanningen had geen invloed op de ontwikkelde treksterkte van de proefstukken. Belasting met trekspanningen verminderde de sterkte met 10% en scheuren in de proefstukken zijn waargenomen. ? Toepassing van deze resultaten op andere kunstwerken kan worden gerealiseerd door simulaties of metingen aan het kunst- werk. Met deze gegevens kan de toepasbaarheid van de onder - zoeksresultaten op overige kunstwerken worden geverifieerd. ? Trillingsfrequenties beïnvloeden de testresultaten. Gelijk- waardige trillingssnelheden, maar verschillende frequenties, gaven verschillende resultaten. Niet de deeltjessnelheid, maar de deeltjesversnelling lijkt beter toepasbaar voor de definitie van (verkeers)trillingen. De inhoudelijke onderzoeksresultaten hebben inzicht opgele- verd in hoe jong beton, in de situatie van de Hollandse Brug, reageert op verkeersbelastingen. Naar de toekomst kijkend en de algemene aard van de situatie beschouwend, wordt het volgende beeld duidelijk: Serie online Bekijk de volledige serie 'Verkeerstrillingen Hollandse brug' op www.cementonline.nl/verkeerstrillingenhollandsebrug ? REfEREntiEs 1 Strukton Brug Monitoring Systeem (interne communicatie Strukton Engineering), Data acquisitie van de 'Hollandse Brug', 2009. 2 Rijkswaterstaat, ROBK-6 - Richtlijn voor het Ontwerp van Betonnen Kunstwerken 6: Rijkswaterstaat, 2006. 3 Ansell A., Silfwerbrand J., The vibration resistance of young and early-age concrete. Structural Concrete, Vol. 4, 2003, No. 3, pp. 125 - 134. 4 Galenkamp H.F, The Influence of Traffic Vibrations on the Hydration Process of Early-age Concrete, Master Thesis, Delft University of Technology, M&E Publication MT17, 2009. ? LitER atuuR 1 Strukton Brug Monitoring Systeem (interne communicatie Strukton Engineering), Data acquisitie van de Hollandse Brug, 2009. 2 Rijkswaterstaat, ROBK 6 - Richtlijn voor het Ontwerp van Betonnen Kunstwerken 6: Rijkswaterstaat, 2006. 3 Ansell A. & Silfwerbrand, J., The vibration resistance of young and early-age concrete. Structural Concrete, Vol. 4, 2003, No. 3, pp. 125 - 134. 4 Galenkamp, H.F, The Influence of Traffic Vibrations on the Hydration Process of Early-age Concrete. Master Thesis, Delft University of Technology, M&E Publication MT17, 2009. 10 11