O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eModelleringcement 2002 680In de voorstudie behorend bij ditonderzoek [1] is gekeken naar dehuidige stand van de techniek. Indiverse landen (Zweden, Japan)wordt het uitwendig wapenen vanbestaande constructies al metsucces toegepast. Deze toepassin-gen richten zich echter op gewa-pende betonconstructies, terwijlde spoorviaducten in Nederlandzijn voorgespannen. De belang-rijkste kenmerken van de vezel-versterkte kunststoffen die alsuitwendige wapening gebruiktkunnen worden zijn: het materi-aalisinvergelijkingmetstaalzeerlicht, waardoor het eenvoudig isaan te brengen (foto 1) en het isveel minder gevoelig voor corro-sie.Figuur 2 toont de spanning-rek-diagrammen van diverse kunst-stoffen en van staal. Hieruit blijktdat de E-modulus van koolstofve-zelversterkte kunststoffen onge-veer vergelijkbaar is met die vanstaal. Verder valt op dat de kunst-stoffen veel sterker zijn dan (voor-span)staal, maar bros bezwijkge-drag vertonen. In principe is ditniet wenselijk voor betoncon-structies, maar de materialen zijnzo sterk dat ze nooit tot aan huncapaciteit worden benut.Behalve naar de materiaaleigen-schappen is gekeken naar hetgedrag van de versterkte con-structie en de ontwerpmethodie-ken. In de samenwerking tussenhet beton en de uitwendige wape-ning speelt de lijm een belangrij-ke rol. Aan deze lijm worden alssterkte-eisen gesteld:t 12 N/mm2en s 15 N/mm2,waardoor de lijm nooit maatge-vend zal zijn in de verbinding,maar altijd het beton.In figuur 3 zijn twee bezwijkme-chanismen weergegeven die ty-perendzijnvoorhetgedragvandeversterkte constructie. In deeerste van de twee (onthechting)is duidelijk te zien dat de scheurzich in het beton bevindt en niettussen het beton en de uitwendi-ge wapening. Eindverankerings-dwarskrachtbreuk kan optredenin het relatief zwakke stuk tussenhet einde van de strip en dedagmaat van de oplegging. Bij hetontwerp moet met deze bezwijk-mechanismen rekening wordengehouden.V o o r b e e l d v i a d u c tOm te onderzoeken in hoeverredeze methode van versterkenzinvol is, is het spoorviaduct overde Sint Josephlaan te MaarssenVersterken van spoorviaductenmet koolstofvezelwapeningir. D.C. Ochtman, van Hattum en Blankevoort, Woerdendr.ir. C. van der Veen, TU Delft, faculteit CiTG, sectie Betonconstructiesdr.ir. A.P. Allaart, Holland RailconsultDe verwachting is dat in de nabije toekomst het vervoer over het spoor zal toe-nemen. Deze toename is te vertalen in hogere aslasten en hogere frequentiesvan de treinen. Na 1945 zijn steeds meer spoorviaducten in beton gebouwden verwacht wordt dat door toename van de belasting de capaciteit vanbestaande viaducten zal worden overschreden. Gezocht moet worden naareen methode om de viaducten te versterken als goedkoop alternatief voor ver-vanging. Een techniek die in opkomst is, is het uitwendig aanbrengen vankoolstofvezellaminaten, opgelijmd in de trekzone van de doorsnede.4000 carbon HTarmide HMcarbon HM armide IME-glas / AR glasvoor spanstaalbetonstaalS-glas3500300025002000150010005000E (%)T(N/mm2)2 | Spanning-rekdiagrammen van diverse kunststoffen en van staal1 | Aanbrengen vanuitwendige wapening3 | Bezwijkmechanismen verbindinga. onthechting of `peeling' b. eindverankerings-dwarskrachtbreukO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eModelleringcement 2002 6 81gekozen als voorbeeld. Dit is eenvoorgespannen viaduct op driesteunpunten, met een overspan-ning van 17 m (fig. 4). Niet spec-taculair, maar wel representatiefvoor spoorviaducten in Neder-land. De prognose van de in detoekomst te vervoeren tonnageover de lijn is bekend. Het viaductis in zijn geheel gecontroleerd.Vastgesteld moest worden opwelke plaats en hoeveel lijmwa-pening nodig zou zijn om denieuwe belastingen op te kunnennemen.De dimensies van het voorge-spannen dek en de ligging van hetwapenings- en voorspanstaal wa-ren aan bestek en tekeningen vanhet viaduct te ontlenen. Hetbestek is geschreven in 1963; demateriaaleigenschappen volgensde GBV `62 zijn vertaald naar deVBC. Hiermee is de capaciteit vanhet oude ontwerp (maximaal op tenemen momenten en dwars-krachten) geanalyseerd.Allereerst is het viaduct (statisch)gecontroleerd op de zogenoemde`oude' belastingen volgens deVOSB. Hieruit bleek dat hetbuigend moment kritischer voorde constructie is dan de dwars-kracht, waarna verder alleen isgekeken naar het moment. Hetbleek dat de constructie sterkgenoeg is om de huidige belastin-gen te dragen.Voorts is gekeken naar het effectvan nieuwe laststelsels, hoger dande aslasten van 22,5 ton die tot nutoe de constructie hebben belast.Ookvoordenieuweaslastenbleekhet viaduct (statisch) sterk genoegte zijn. Alleen voor aslasten van30 ton (waarvan bekend is dat zevoorlopig nog niet zullen wordeningezet) wordt het maximaal op-neembare moment gering over-schreden.Ten slotte is het viaduct op ver-moeiing gecontroleerd. Hierbijgaat het om de spanningspiek dieeen trein veroorzaakt bij passerenvan het viaduct. Daarbij is vooralvan belang hoe dicht die piek inde buurt komt van de maximaalopneembare spanning (vermoei-ingssterkte). Hiermee is zowelvoor Eurocode 2 (ENV 1992:2) alsde VBB een maximaal toe te latenaantal lastwisselingen (per ge-wichtsklasse van de treinen)bepaald. Dat aantal is gerelateerdaan de te vervoeren tonnage overde lijn Amsterdam-Utrecht. Hetblijkt dat volgens Eurocode 2 nietwordt voldaan aan de eisen envolgens de VBB wel. De formulesvoor het toe te laten aantal last-wisselingen zijnvolgens Eurocode 2:en volgens de VBB:waarin:sc;maxis de maximale beton-spanning ten gevolge vande belasting;fcd;fatis de betondruksterkte bijvermoeiingsbelasting(vermoeiingssterkte);s/b;d;maxis de rekenwaarde van demaximaal optredendedrukspanning;f/b;vis de rekenwaarde van debetondruksterkte bij ver-moeiing;R is de grootte van de span-ningswisseling= s/b;d;min/ s/b;d;maxVan belang is de vermoeiings-sterkte, bepaald aan de hand vande betonsterkteklasse. VolgensEurocode 2 wordt hiervoor altijd1,5 als materiaalfactor gebruikt.Volgens de VBB moet echter 1,2worden gebruikt voor sterkteklas-4 | Spoorviaduct Maarssen;doorsnede met langs- envoorspanwapening5 | Rekdiagram versterktedoorsnedesc;max14[1 -- --------------]log N =fcd;fat???????????1--Rs/b;d;max14[1 -- ???????]log N =f /b;v????????????1--R13.0001.0004.000 4.000 13.000A B C1.400650O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eModelleringcement 2002 682sen lager dan B 30, terwijl voorhogere sterkteklassen de materi-aalfactor weer afhangt van de ku-busdruksterkte. Voor sterkteklas-sen hoger dan B 55 blijkt de VBBstrenger te zijn dan de Eurocode.Conclusie is dat het viaduct pasversterkt hoeft te worden vanafhet moment dat het treinen metaslasten van 30 ton moet kunnendragen. Echter, op het momentdat in Nederland de Eurocode ver-plicht is voor bestaande construc-ties, zou het viaduct niet meervoldoen ten aanzien van vermoei-ing. Het viaduct is in 1963 ge-bouwd voor een levensduur van100jaar,daarvanzijnnog60jarente gaan. De Eurocode zal in dekomende vijf ? tien jaar in Neder-land worden ingevoerd. De regelhierbij is dat een constructie pashoeft te voldoen aan de nieuweeisen als er daadwerkelijk veran-deringen worden aangebracht,bijvoorbeeld uitbreiding voorviersporigheid.Erisgekekennaarmogelijkhedenom de constructie te versterken,in dit voorbeeld door het oplijmenvan koolstofvezelwapening. Decapaciteit van de nieuwe doorsne-de is geanalyseerd (fig. 5). In dedoorsnedeistezienwaardestripszijn aangebracht. In de rekfiguuren in het krachtenevenwicht is tezien hoe de uitwendige wapeningindeberekeningismeegenomen.Voor deze doorsnede is opnieuwhet uiterst opneembare momentbepaald en is de vermoeiing ge-controleerd. Figuur 6 geeft het M-k-diagram voor zowel de onver-sterkte als de versterkte situatie.Wat direct opvalt is dat de grafie-ken elkaar nauwelijks ontlopen.De bijdrage van de kracht in delamel op de doorsnede is dus zeerklein.05001000150020002500M(kNm)0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9K (10-6/mm)onversterktversterkt010203040506070800 1000 2000 3000 4000 4938opp. voorspanning (mm2)1925001000bijdragelamellen(%)6 | M-k-diagram represen-tatieve momenten7 | Relatie tussen groottevan de voorspanning enbijdrage van de lamellenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eModelleringcement 2002 6 83C o n c l u s i e sUit het voorbeeld is voor hetviaduct een aantal conclusies tetrekken.De eerste heeft betrekking op decapaciteit van de constructie. Uitcontroles blijkt dat het viaduct dehuidige belastingen kan weer-staan, alleen bij aslasten van 30ton gaat het mis: de optredendemomenten overschrijden de ca-paciteit gering. Omdat aslastenvan 30 ton ook wel erg hoog zijn,en naar verwachting nog niet opkorte termijn zullen worden in-gevoerd, is dit nog niet direct eenprobleem. Voor vermoeiing vol-doet het viaduct aan de Neder-landse voorschriften. Volgens Eu-rocode 2 wordt echter niet aan deeis voor vermoeiing voldaan.Uit de voorstudie blijkt dat hetmogelijk is om met de vezelver-sterkte kunststoffen als opgelijm-de wapening betonconstructies teversterken. Met het beton kangoede samenwerking worden be-reikt. Het onderzoek naar het ver-sterken van deze specifieke con-structie door middel van uitwen-dige lijmwapening wijst echter uitdat dit nauwelijks effect heeft.Zelfs de hogere momenten dieoptredenbijdeaslastenvan30tonkunnen ook met uitwendige wa-pening niet worden opgenomen.Dit is te verklaren doordat de ui-terste vezel aan de onderzijde vande constructie bijna niet ondertrek komt te staan door de groottevandevoorspankrachtopdedoor-snede. Een treksterk materiaalmet deze hoge kwaliteit komtdaardoor niet tot zijn recht.In de studie is onderzocht of debijdrage van de uitwendige wape-ning toeneemt als de grootte vande voorspankracht in een viaductkleiner is. Een tweede variabele ishet oppervlak van de op de con-structie aan te brengen lamellen.Er is een formule opgesteld waar-mee de verhoging van het maxi-maal opneembare moment kanworden bepaald:waarin:h is de effectiviteit van de opge-lijmde wapening;z is de inwendige hefbooms-arm;y is afstand bovenkant construc-tie tot betondrukkracht;index l is lamel;index s is wapening;index p is voorspanning.In feite geeft de formule aan watde bijdrage is van de lamellen ophet weerstandbiedende deel vande doorsnede. Uiteraard zijn hetlameloppervlak en de grootte vande voorspanning als variabele inte voeren.In figuur 7 is voor drie verschil-lende lameloppervlakken (192,500 en 1000 mm2/m) de procen-tuele verhoging van het maximaalopneembare moment uitgezettegen de voorspanning. Te zien isdat bij de hoge voorspanningzoals in dit spoorviaduct, zelfs bijeen lameloppervlak van 1000mm2/m (waarbij bijna de geheleonderzijde van de constructiebedekt is met lamellen) het effectzeer klein is. Echter voor con-structies die minder zwaar zijnvoorgespannen(bijvoorbeeldweg-viaducten) is een behoorlijke toe-name van het maximaal opneem-bare moment te bereiken.Een eenvoudige vergelijking tus-sen de kosten van versterken vaneen viaduct met lage voorspan-ning en vervangen toont aan datversterken veel goedkoper is danvervangen.L i t e r a t u u r1. Ochtman, D.C., Het verster-ken van bestaande betoncon-structies. Afstudeerverslag TUDelft, maart 2002.A a n b e v e l i n g e n v o o rn a d e r o n d e r z o e kNader onderzoek wordt aanbevo-len naar het effect van versterkenvan minder zwaar voorgespan-nen viaducten (wegviaducten).Verwacht wordt dat versterkingtot op zekere hoogte mogelijk is.Een andere mogelijkheid is hetonder voorspanning aanbrengenvan de uitwendige lijmwapening.Hierdoor leveren de lamellensowieso al kracht op de construc-tie. De lamellen kunnen wordenvoorgespannen door ze aan tebrengen met speciale apparatuur(zoals beschreven in de voorstu-die) of door de constructie op tevijzelen voordat de lamellen wor-den aangebracht. Toenemend on-derzoek wordt uitgevoerd naardeze wijze van versterken. AlelEl(zl-- y)h = ___________________Asfsy(zs-- y)+Apfpu(zp-- y)