Structural Concrete Vol. 21/6 (december 2020) is gewijd aan het conceptueel ontwerp van constructies. Het nummer is uitgebracht naar aanleiding van het International fib Symposium on Conceptual Design of Structures, gehouden in Madrid in september 2019. Het gaat over creatieve processen in de constructietechniek, die door grondige, systematische en ambitieuze inspanningen moeten leiden tot de meest adequate oplossingen. Hierbij bieden moderne tools en technologieën en nieuwe materialen interessante mogelijkheden.
34? CEMENT 2 2021
Structural Concrete Vol. 21/6
(december 2020) is gewijd aan het
conceptueel ontwerp van constructies.
Het nummer is uitgebracht naar
aanleiding van het International fib
Symposium on Conceptual Design of
Structures, gehouden in Madrid in
september 2019. Het gaat over creatieve
processen in de constructietechniek,
die door grondige, systematische en
ambitieuze inspanningen moeten leiden
tot de meest adequate oplossingen.
Hierbij bieden moderne tools en
technologieën en nieuwe materialen
interessante mogelijkheden.
Gelezen in
Structural
Concrete
Paper Textile reinforced concrete for sustainable structures: Future
perspectives and application to a prototype pavilion (2251).
Door: Patrick Valeri, Patricia Guaita, Raffael Baur, Miguel
Fernández Ruiz, David Fernández-Ordóñez, Aurelio Muttoni.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/suco.201900511
TEXTIELGEWAPEND BETON
VOOR DUURZAME CONSTRUCTIES
Textielgewapend beton (kort:
textielbeton) is beton met wa-
pening die bestaat uit textiel-
weefsels met een hoge trek -
sterkte. Doordat deze wapening
niet gevoelig is voor corrosie,
kan de betondekking worden
beperkt en kan ook de hoeveel-
heid klinker in het cement aan-
zienlijk worden verminderd.
Doordat de wapening eenvou-
dig in complexe bekistingen
kan worden aangebracht, is het
materiaal geschikt voor dunne
schalen of gebogen construc -
ties (diktes van 10 ? 20 mm).
Door de besparing op materi-
aal en de lagere hoeveelheden
klinker, heeft textielbeton een
aanzienlijk lagere CO
2-footprint
dan traditioneel gewapend
beton.
Om een grootschalig gebruik
in de praktijk aan te moedigen
is onderzoek uitgevoerd aan
het ENAC / EPFL in Zwitser-
land. Hierbij zijn materiaal- en
constructieve eigenschappen
en de architectonische moge-
lijkheden onderzocht. Dit betrof
eigenschappen op het gebied
van trek, buiging en afschui-
ving. Op basis hiervan is een
voorbeeld uitgewerkt van een
paviljoen op ware grootte,
volledig in textielbeton. Uit het onderzoek bleek dat
het materiaal geschikt is voor
daadwerkelijke toepassing
in de bouw. Zo bleek onder
meer dat, ondanks het brosse
breukgedrag bij trek, voldoende
vervormingscapaciteit kan
worden bereikt. Een veelbelo-
vende toepassing is de combi-
natie van textielwapening met
glasvezelversterkt polymeer
of roestvaststalen wapening.
Hierdoor kan de draagkracht
plaatselijk worden verhoogd.
Verder is geconcludeerd dat
het materiaal zich goed leent
voor prefabricage. Door de
geringe diktes zijn de stukken
makkelijk te vervoeren en op de
bouwplaats te assembleren.
1 Storten van een cilindervormige schaal-
constructie met textiel gewapend beton
RUBRIEK STRUCTURAL CONCRETE
Een van de meest toonaangevendeinternationale
vakbladen over betonconstructies is Structural
Concrete (SC). SC is het officiële, peer reviewed
journal van fib (The international federation for
Structural Concrete). Cement plaatst vanaf nu een
korte Nederlandstalige samenvatting van een
selectie van voor Cement-lezers interessante
papers uit ieder nummer van SC (verschijnt 6x
per jaar). De volledige papers zijn beschikbaar
op onlinelibrary.wiley.com (gratis voor leden
van fib).
structural concrete
CEMENT 2 2021 ?35
ACTIEF GEBOGEN BETONSCHALEN
Een nieuwe manier om schaal-
constructies te realiseren is het
actief buigen van vlakke beton-
platen. De methode maakt
gebruik van de hoge rotatieca-
paciteit van dunne betonplaten,
gewapend met zeer elastische
trekwapening. De verharde
platen worden opgetild en in de
gewenste vorm gebogen met
behulp van externe kabels die
de platen onderwerpen aan
excentrische krachten.
De methode is onderzocht aan
de universiteiten van Innsbruck
en Stuttgart en verder geopti-
maliseerd met een reeks experi-
menten: eenassige trekproeven
voor het bepalen van breukrek van de vezelwapening, buig-
proeven op kleine betonplaten
voor het bepalen van de moge-
lijke kromming, en proeven op
grote schaal om het gehele
proces te beschouwen.
Over het geheel genomen
waren de experimenten
geslaagd. Zo was het moge-
lijk de platen met de kabels
te buigen. Wel is vastgesteld
dat wapening met een hoge
eindrek slechts schaars
beschikbaar is. Een andere
conclusie was dat normaal
beton geschikter is dan beton
met hoge sterkte. Vervolg-
onderzoek in inmiddels inge-
pland.
BRANDGEDRAG VAN BETONNEN
SEGMENTEN IN EEN METROTUNNELPROJECT
In Victoria (Australië) neemt de
toepassing van de boortechniek
voor ondergrondse tunnels
toe. Dergelijke tunnels moeten
brandwerend worden ontwor-
pen om zowel de constructieve
veiligheid als de bruikbaarheid
in geval van brand te behouden.
In Australië zijn voor het
Melbourne Metro Tunnel Project
twee soorten brandtestpro-
gramma's uitgevoerd, met het
oog op veiligheid tijdens een
hevig brandincident. Beide
programma's maakten gebruik
van de RABT ZTV (rail) brand-
curve. Het eerste omvatte de
brandproeven van 12 onbe-
laste vlakke elementen om te bepalen of een bepaald
betonmengsel gevoelig zou zijn
voor afspatting. In het tweede
programma werden zes proto-
type elementen op ware schaal
onderworpen aan brandproe-
ven, voor het eerst in Australië.
Uit de onderzoeken bleek dat
brandproeven op ware schaal
essentieel zijn; bij de onbelaste
vlakke elementen werd het
spatgedrag onderschat. Verder
kon worden geconcludeerd dat
de toevoeging van polypropy -
leenvezels succesvol is in het
verminderen van afspatten,
naast het gebruik van puzzo-
laancement zoals vliegas en
slak.
Paper Actively bent concrete shells (2282). Door: Johannes
Berger, Oliver Gericke, Jürgen Feix, Werner Sobek.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/suco.202000045
2 Door het spannen van een kabel gekromd betonelement
Paper Design of the metro tunnel project tunnel linings for
fire testing (2452). Door: Maurice Guerrieri, Carlos Sanabria, Wei Ming Lee, Esteban Pazmino, Rahul Patel.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/suco.202000140 3 Proefstuk na een brandproef
36? CEMENT 2 2021
5 Testopstelling 60 jaar oude onderslagbalk
CONSTRUCTIEVE BEOORDELING VAN EEN 60 JAAR
OUDE ONDERSLAGBALK VAN GEWAPEND BETON
Bestaande constructies van
gewapend beton vertonen
steeds vaker tekenen van
schade (onder meer scheur-
vorming). De visuele inspectie
van deze constructies wordt
daarom alsmaar belangrijker,
maar er is nog maar weinig
onderzoek verricht naar
constructies die in werkelijkheid
moeten worden beoordeeld.
In een experimenteel
programma en daaropvolgend
numeriek onderzoek zijn de
prestaties onderzocht van een
gewapend betonnen onder-
slagbalk van een 60 jaar oude
brug in Texas, die diagonale
scheuren vertoonde. Dit onder
meer om de afschuifsterkte te
bepalen.
Het scheurgedrag is uitgebreid
gemonitord en de mechanische
eigenschappen zijn onderzocht
vóórdat de brug tot bezwijken
werd belast. Het numerieke
onderzoek omvatte zowel
'traditionele' methoden als niet-lineaire eindige-elementen-
analyses (NLFEA), met en zonder
rekening te houden met de
bestaande schade.
Uit het onderzoek kwam onder
meer een slechte hechting
van de wapening naar voren,
wat wijst op een twijfelachtige
betonkwaliteit. Bovendien
voldeed de detaillering van
de dwarskrachtwapening niet
volledig aan de moderne eisen.
Toch bleek uit de resultaten van
zowel het experimentele als
het numerieke onderzoek dat
deze schade niet wees op een
dreigende afschuifbreuk. De
resultaten van de NLFEA gaven
bovendien een redelijke schat -
ting van de capaciteit van de
constructie kap en gaven een
correct beeld van de bezwijk -
mechanismen, schadepatro-
nen en de afschuifweerstand.
Dergelijke instrumenten blijken
dus goed toepasbaar voor de
beoordeling van bestaande
constructies.
NUMERIEKE SIMULATIE VAN BALK-
KOLOMVERBINDINGEN MET
VERSCHILLENDE BEZWIJKMECHANISMEN
Het simuleren van het niet-lineaire gedrag van balk-kolom-
verbindingen is niet eenvoudig. Nog moeilijker is het om de
bijdrage van verschillende niet-lineaire mechanismen op
het dynamische gedrag te simuleren. In een internationaal
onderzoek zijn balk-kolomverbindingen in gewapend beton
gesimuleerd met geavanceerde numerieke modellen. Het
betrof verbindingen met detailleringen en materiaaleigen-
schappen die niet voldeden aan de huidige seismische
voorschriften. Met modellen, opgesteld in VecTor2 en
ATENA, is in detail onderzocht welke factoren de globale
en lokale respons van de verbinding beïnvloeden. Hierbij
zijn twee modelleringsstrategieën vergeleken met experi-
mentele resultaten van samengestelde verbindingen met
verschillende bezwijkmechanismen. Er is gekeken naar het
hysterese gedrag, het scheurpatroon (en de ontwikkeling
daarvan) en lokale vervormingen van de verbinding. De
voor- en nadelen, de uitdagingen bij de implementatie van
het model en de mogelijkheid de experimentele resultaten
te reproduceren zijn in detail besproken. De vergelijking met
experimentele resultaten bleek daarbij zeer nuttig om de
nauwkeurigheid en de toepasbaarheid van de voorgestelde
modellen te beoordelen.
4 Uitvoer van een van de modellen
Paper Structural performance assessment of a 60-year-old
reinforced concrete bent cap (2549). Door: Jarrod Zaborac,
Bernardo Perez, Trevor Hrynyk, Oguzhan Bayrak
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/suco.202000033
Paper Numerical simulation of substandard beam-column joints
with different failure mechanisms (2515). Door: Özgür Yurdakul,
Ciro Del Vecchio, Marco Di Ludovico, Özgür Avs¸ar
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/suco.201900003
structural concrete
CEMENT 2 2021 ?37
ONDERZOEK NAAR GEWAPENDE BETONPLATEN
MET VERSCHILLENDE ONDERSTEUNINGSCONDITIES
Gewapende betonplaten
kunnen tijdens hun gebruiks-
duur worden blootgesteld aan
buitengewone belastingen
zoals ontploffingen en inslagen.
Er is al veel onderzoek verricht
naar het gedrag van deze
platen bij dergelijke belastin-
gen. Dat geldt echter niet voor
de invloed van de ondersteu-
ningen.
In Turkije is nu een studie
verricht naar effecten van de
ondersteuning op de dynami-
sche respons en de bezwijk -
mechanismen van gewapend
betonnen platen, onderworpen
aan impactbelastingen. In
het eerste deel van de studie
werden negen in twee rich-
tingen dragende, lijnvormig
ondersteunde platen onder-
zocht. Hierbij is gevarieerd in
het type ondersteuning van de
randen: zowel ingeklemd als
scharnierend. Deze platen zijn
getest met een impactbelasting
via een valtest. Hierbij zijn ze blootgesteld aan twee belas-
tingen met een verschillende
hoeveelheid energie. De tijdsaf -
hankelijke versnellingen en
vervormingen in de platen zijn
gemeten en de scheurpatronen
ten gevolge van de belasting
zijn beschouwd.
De resultaten lieten zien dat
een vermindering van het
aantal ingeklemde randen
zorgt voor een toename van
de maximum versnellingen
en vervormingen. Zo lieten de
platen met vier scharnierende
randen een 58%, 74% en 26%
grotere maximum versnelling,
maximum vervorming en blij-
vende vervorming zien dan de
platen met vier ingeklemde
randen. Verder kon worden
geconcludeerd dat er meer
scheuren optraden in de platen
waarvan het aantal ingeklemde
randen groter was.
In het tweede deel van het
onderzoek is een nauwkeurige
eindige-elementenanalyse gedaan waarin de experimen-
tele resultaten zijn geanaly -
seerd. De resultaten kwamen
goed overeen. De conclusie was
dan ook dat de voorgestelde
eindige-elementenanalyse
kan worden gebruikt voor de
beoordeling van de dynami-
sche respons van de bezwijk -
mechanismen van gewapend
betonnen platen onder impact -
belasting met lage snelheid.
6 Proefopstelling drop-weight test
Paper Experimental and numerical investigation of impact
behavior of reinforced concrete slab with different support
conditions (2689). Door: Tolga Y?lmaz, Nevzat K?raç, Özgür An?l, Recep Tug?rul Erdem, Volkan Hos¸kal
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/suco.202000216
Rubriek Structural Concrete
Een van de meest toonaangevende internationale vakbladen over betonconstructies is Structural Concrete (SC). SC is het officiële, peer reviewed journal van fib (The international federation for Structural Concrete). Cement plaatst vanaf nu een korte Nederlandstalige samenvatting van een selectie van voor Cement-lezers interessante papers uit ieder nummer van SC (verschijnt 6x per jaar).
De volledige papers zijn beschikbaar op onlinelibrary.wiley.com (gratis voor leden van fib).
Textielgewapend beton voor duurzame constructies
Foto 1. Storten van een cilindervormige schaalconstructie met textiel gewapend beton
Textielgewapend beton (kort: textielbeton) is beton met wapening die bestaat uit textielweefsels met een hoge treksterkte. Doordat deze wapening niet gevoelig is voor corrosie, kan de betondekking worden beperkt en kan ook de hoeveelheid klinker in het cement aanzienlijk worden verminderd. Doordat de wapening eenvoudig in complexe bekistingen kan worden aangebracht, is het materiaal geschikt voor dunne schalen of gebogen constructies (diktes van 10 – 20 mm). Door de besparing op materiaal en de lagere hoeveelheden klinker, heeft textielbeton een aanzienlijk lagere CO2-footprint dan traditioneel gewapend beton.
Om een grootschalig gebruik in de praktijk aan te moedigen is onderzoek uitgevoerd aan het ENAC / EPFL in Zwitserland. Hierbij zijn materiaal- en constructieve eigenschappen en de architectonische mogelijkheden onderzocht. Dit betrof eigenschappen op het gebied van trek, buiging en afschuiving. Op basis hiervan is een voorbeeld uitgewerkt van een paviljoen op ware grootte, volledig in textielbeton.
Uit het onderzoek bleek dat het materiaal geschikt is voor daadwerkelijke toepassing in de bouw. Zo bleek onder meer dat, ondanks het brosse breukgedrag bij trek, voldoende vervormingscapaciteit kan worden bereikt. Een veelbelovende toepassing is de combinatie van textielwapening met glasvezelversterkt polymeer of roestvaststalen wapening. Hierdoor kan de draagkracht plaatselijk worden verhoogd.
Verder is geconcludeerd dat het materiaal zich goed leent voor prefabricage. Door de geringe diktes zijn de stukken makkelijk te vervoeren en op de bouwplaats te assembleren.
Paper
Textile reinforced concrete for sustainable structures: Future perspectives and application to a prototype pavilion (2251)
Door: Patrick Valeri, Patricia Guaita, Raffael Baur, Miguel Fernández Ruiz, David Fernández-Ordóñez, Aurelio Muttoni
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/suco.201900511
Actief gebogen betonschalen
Foto 2. Door het spannen van een kabel gekromd betonelement
Een nieuwe manier om schaalconstructies te realiseren is het actief buigen van vlakke betonplaten. De methode maakt gebruik van de hoge rotatiecapaciteit van dunne betonplaten, gewapend met zeer elastische trekwapening. De verharde platen worden opgetild en in de gewenste vorm gebogen met behulp van externe kabels die de platen onderwerpen aan excentrische krachten.
De methode is onderzocht aan de universiteiten van Innsbruck en Stuttgart en verder geoptimaliseerd met een reeks experimenten: eenassige trekproeven voor het bepalen van breukrek van de vezelwapening, buigproeven op kleine betonplaten voor het bepalen van de mogelijke kromming, en proeven op grote schaal om het gehele proces te beschouwen.
Over het geheel genomen waren de experimenten geslaagd. Zo was het mogelijk de platen met de kabels te buigen. Wel is vastgesteld dat wapening met een hoge eindrek slechts schaars beschikbaar is. Een andere conclusie was dat normaal beton geschikter is dan beton met hoge sterkte. Vervolgonderzoek in inmiddels ingepland.
Brandgedrag van betonnen segmenten in een metrotunnelproject
In Victoria (Australië) neemt de toepassing van de boortechniek voor ondergrondse tunnels toe. Dergelijke tunnels moeten brandwerend worden ontworpen om zowel de constructieve veiligheid als de bruikbaarheid in geval van brand te behouden.
In Australië zijn voor het Melbourne Metro Tunnel Project twee soorten brandtestprogramma’s uitgevoerd, met het oog op veiligheid tijdens een hevig brandincident. Beide programma’s maakten gebruik van de RABT ZTV (rail) brandcurve. Het eerste omvatte de brandproeven van 12 onbelaste vlakke elementen om te bepalen of een bepaald betonmengsel gevoelig zou zijn voor afspatting. In het tweede programma werden zes prototype elementen op ware schaal onderworpen aan brandproeven, voor het eerst in Australië.
Uit de onderzoeken bleek dat brandproeven op ware schaal essentieel zijn; bij de onbelaste vlakke elementen werd het spatgedrag onderschat. Verder kon worden geconcludeerd dat de toevoeging van polypropyleenvezels succesvol is in het verminderen van afspatten, naast het gebruik van puzzolaancement zoals vliegas en slak.
Foto 3. Proefstuk na een brandproef
Numerieke simulatie van balk-kolomverbindingen met verschillende bezwijkmechanismen
Figuur 4. Uitvoer van een van de modellen
Het simuleren van het niet-lineaire gedrag van balk-kolomverbindingen is niet eenvoudig. Nog moeilijker is het om de bijdrage van verschillende niet-lineaire mechanismen op het dynamische gedrag te simuleren. In een internationaal onderzoek zijn balk-kolomverbindingen in gewapend beton gesimuleerd met geavanceerde numerieke modellen. Het betrof verbindingen met detailleringen en materiaaleigenschappen die niet voldeden aan de huidige seismische voorschriften. Met modellen, opgesteld in VecTor2 en ATENA, is in detail onderzocht welke factoren de globale en lokale respons van de verbinding beïnvloeden. Hierbij zijn twee modelleringsstrategieën vergeleken met experimentele resultaten van samengestelde verbindingen met verschillende bezwijkmechanismen. Er is gekeken naar het hysterese gedrag, het scheurpatroon (en de ontwikkeling daarvan) en lokale vervormingen van de verbinding. De voor- en nadelen, de uitdagingen bij de implementatie van het model en de mogelijkheid de experimentele resultaten te reproduceren zijn in detail besproken.
De vergelijking met experimentele resultaten bleek daarbij zeer nuttig om de nauwkeurigheid en de toepasbaarheid van de voorgestelde modellen te beoordelen.
Constructieve beoordeling van een 60 jaar oude onderslagbalk van gewapend beton
Bestaande constructies van gewapend beton vertonen steeds vaker tekenen van schade (onder meer scheurvorming). De visuele inspectie van deze constructies wordt daarom alsmaar belangrijker, maar er is nog maar weinig onderzoek verricht naar constructies die in werkelijkheid moeten worden beoordeeld.
In een experimenteel programma en daaropvolgend numeriek onderzoek zijn de prestaties onderzocht van een gewapend betonnen onderslagbalk van een 60 jaar oude brug in Texas, die diagonale scheuren vertoonde. Dit onder meer om de afschuifsterkte te bepalen.
Het scheurgedrag is uitgebreid gemonitord en de mechanische eigenschappen zijn onderzocht vóórdat de brug tot bezwijken werd belast. Het numerieke onderzoek omvatte zowel ‘traditionele’ methoden als niet-lineaire eindige-elementenanalyses (NLFEA), met en zonder rekening te houden met de bestaande schade.
Uit het onderzoek kwam onder meer een slechte hechting van de wapening naar voren, wat wijst op een twijfelachtige betonkwaliteit. Bovendien voldeed de detaillering van de dwarskrachtwapening niet volledig aan de moderne eisen. Toch bleek uit de resultaten van zowel het experimentele als het numerieke onderzoek dat deze schade niet wees op een dreigende afschuifbreuk. De resultaten van de NLFEA gaven bovendien een redelijke schatting van de capaciteit van de constructie kap en gaven een correct beeld van de bezwijkmechanismen, schadepatronen en de afschuifweerstand. Dergelijke instrumenten blijken dus goed toepasbaar voor de beoordeling van bestaande constructies.
Foto 5. Testopstelling 60 jaar oude onderslagbalk
Experimenteel en numeriek onderzoek naar gewapende betonplaten met verschillende ondersteuningscondities
Gewapende betonplaten kunnen tijdens hun gebruiksduur worden blootgesteld aan buitengewone belastingen zoals ontploffingen en inslagen. Er is al veel onderzoek verricht naar het gedrag van deze platen bij dergelijke belastingen. Dat geldt echter niet voor de invloed van de ondersteuningen.
In Turkije is nu een studie verricht naar effecten van de ondersteuning op de dynamische respons en de bezwijkmechanismen van gewapend betonnen platen, onderworpen aan impactbelastingen. In het eerste deel van de studie werden negen in twee richtingen dragende, lijnvormig ondersteunde platen onderzocht. Hierbij is gevarieerd in het type ondersteuning van de randen: zowel ingeklemd als scharnierend. Deze platen zijn getest met een impactbelasting via een valtest. Hierbij zijn ze blootgesteld aan twee belastingen met een verschillende hoeveelheid energie. De tijdsafhankelijke versnellingen en vervormingen in de platen zijn gemeten en de scheurpatronen ten gevolge van de belasting zijn beschouwd.
De resultaten lieten zien dat een vermindering van het aantal ingeklemde randen zorgt voor een toename van de maximum versnellingen en -vervormingen. Zo lieten de platen met vier scharnierende randen een 58%, 74% en 26% grotere maximum versnelling, maximum vervorming en blijvende vervorming zien dan de platen met vier ingeklemde randen. Verder kon worden geconcludeerd dat er meer scheuren optraden in de platen waarvan het aantal ingeklemde randen groter was.
In het tweede deel van het onderzoek is een nauwkeurige eindige-elementenanalyse gedaan waarin de experimentele resultaten zijn geanalyseerd. De resultaten kwamen goed overeen. De conclusie was dan ook dat de voorgestelde eindige-elementenanalyse kan worden gebruikt voor de beoordeling van de dynamische respons van de bezwijkmechanismen van gewapend betonnen platen onder impactbelasting met lage snelheid.
Reacties