1 Productie brandwandpanelen met basaltvezelwapening Basaltvezelwapening voor busremise Basaltvezelwapening in brandwanden busremise Breda: van materiaaleigenschappen tot constructieve berekening 1 28? CEMENT 3 2024 In beton wordt veel wapenings- staal toegepast. Gemiddeld 44 kg staal per m³ beton [1], op een totale betonhoeveel - heid van circa 14 miljoen m³ per jaar [2]. Wa - peningsstaal heeft verschillende voordelen: eenvoudige verwerking, goede vervormbaar- heid, lange levensduur bij goede bescher- ming, goede samenwerking met beton en uitgebreide ervaring in het gebruik ervan. Met gewapend beton kunnen indrukwek - kende bouwwerken worden gemaakt. De keerzijde van staal is echter de hoge milieu- impact bij de productie, de enorme prijs- fluctuaties en het risico op corrosie. Vanwege de groeiende vraag naar ver- duurzaming staat de bouwsector steeds meer open voor het gebruik van alternatieven. Basaltvezelwapening (of basaltwapening) is zo'n alternatief. Basaltvezelwapening valt in de familie- groep van composietwapening en fiber reinforced polymer (FRP), net als glasvezel - wapening. De eigenschappen van basaltvezelwa - pening verschillen op meerdere vlakken sterk van wapeningsstaal. Afhankelijk van de beoogde toepassing zijn sommige eigen - schappen gunstiger, maar er zijn ook min - der aantrekkelijke kanten. De belangrijkste reden om het gebruik van basaltvezelwape- ning te onderzoeken, is de lagere milieube- lasting. De MKI is per volume-eenheid 40 tot 50% lager. Productie en milieuwinst Basaltgesteente is gestolde lava dat, wanneer het de juiste chemische samenstelling heeft, kan worden gebruikt voor wapening. Bij de productie van de wapening wordt het ge- steente verhit tot ongeveer 1400 °C. Uit deze vloeibare substantie worden zeer dunne ve - zels getrokken die op rollen worden gewik - keld (fig. 3). Deze rollen worden vervolgens uitgerold, waarbij de dunne vezels, in com - binatie met epoxyhars, worden gevormd tot een staaf met de gewenste diameter en voor- zien van een profilering (fig. 4). Diameters variërend van 4 mm tot 32 mm zijn mogelijk. In het productieproces van zowel staalwapening als basaltwapening is een aanzienlijke hoeveelheid warmte nodig. Per gewichtseenheid is er zelfs meer energie nodig om basalt te laten smelten. De volu - mieke massa van basalt is echter vier keer lager, waardoor de milieubelasting (MKI) in de productiefase per staafdiameter omgere- kend 40 tot 50% lager is, gebaseerd op een interne berekening. Eigenschappen en prestaties Basaltvezelwapening vertoont van nature een anisotroop gedrag. De eigenschappen hangen af van het productieproces, de ver- houding en oriëntatie van de vezels in de wapeningsstaaf, het vezeltype, het type hars, dimensionele effecten en kwaliteitscontrole. De specifieke eigenschappen kunnen dus IR. FELIX LEENDERS Betonadviseur & Constructeur Van Hattum en Blankevoort auteur In de prefab brandwandpanelen van de busremise Breda is het wapeningsstaal volledig vervangen door basaltvezelwapening. Hierdoor wordt een 31% lagere milieubelasting op de wapening bereikt (in productiefase, ofwel LCA-fase A1 t/m A3). De eigenschappen van basaltvezelwapening verschillen in bijna alle opzichten van wapening\ sstaal. Het rekenen met basaltvezelwapening vergt daarom extra aandacht. CEMENT 3 2024 ?29 Melt ing bath Bu sh ing bat h Ba sa ltfila men t s Si zin g C olle cto r f iber Sp inni ng ca ke 2 Productie rollen (bron: Deutsche Basalt Faser) 3 Pultrusion techniek (bron: Orlitech) PROJECTGEGEVENS project Busremise Breda opdrachtgever Provincie Noord-Brabant bevoegd gezag Gemeente Breda constructeur Van Hattum en Blankevoort (VolkerWessels) aannemer Van de Ven / KWS (VolkerWessels) onderaannemer Holland Scherm (VolkerWessels) constructieve berekening brandwand Lincon leverancier wapening, incl. technische ondersteuning Orlitech leverancier elementen Van Dijk Beton 2 3 Tabel 1?Eigenschappen basaltvezelwapening en betonstaal gegevens basaltvezelwapening betonstaal diameter [mm] 4-326-40 karakteristieke vloeigrens* [MPa] n.v.t.500 karakteristieke treksterkte* [MPa] 800-1300500 E-modulus [GPa] 50-75210 thermische geleidbaarheid [W/m/°C] 7) heel hoog laag magnetische kenmerken niet-magnetischmagnetisch breukrek [%] 1,33-2,810 *in langsrichting, voor basaltvezelwapening loodrecht op de vezel is de sterkte minder 30? CEMENT 3 2024 E: be lastinge ffect R : ster kte m : ge middel de waarde k : ka rakter istiek e wa arde d : re kenw aarde : st anda arda fwij king : be lasti ngf actor : ma teriaa lfac tor ve rde ling Em Rm Rk Ek Ek* = E d Rd = R k / be last inge ffec t E en ster kte R variëren per leverancier. Het is van belang om deze specifieke eigenschappen bij de betreffende leverancier op te vragen. In tabel 1 worden enkele belangrijke eigenschappen gepresenteerd. De (korte duur) treksterkte van basaltvezelwapening is ongeveer 1,5 tot 3 keer zo hoog als traditio- neel wapeningsstaal (B500). Tot aan de breukrek gedraagt het zich volledig elas- tisch, het materiaal vloeit dus niet. Een nadeel is dat de treksterkte van de wapening in de tijd afneemt. Wapenings- staven die gedurende langere tijd aan een constante spanning worden blootgesteld kunnen plotseling falen, wat bekend staat als kruipbreuk. De spanning waarbij kruip- breuk optreedt, kan afnemen onder ongun - stige omgevingsomstandigheden zoals hoge temperaturen, blootstelling aan UV-straling, natte en droge cycli, of vries- en dooicycli [3]. Ondanks de hogere treksterkte is de elasticiteitsmodulus tot wel vier keer lager dan die van staal. De invloed van deze afwijkende me- chanische eigenschappen op de constructie zal moeten blijken uit berekeningen. De meerwaarde van basaltvezelwapening zit hem vooral in het feit dat het niet kan corro- deren. Corrosie als gevolg van carbonatatie, chloride-indringing en elektrische stroom treedt niet op. Hierdoor is een minimale dekking voor duurzaamheid niet van toe- passing. Uiteraard moet nog wel worden voldaan aan de minimale dekking voor de overdracht van aanhechtkrachten en, in - dien van toepassing, voldoende brandwe- rendheid. Uitvoeringsaspecten Basaltvezelwapening is een factor 4 lichter dan traditionele wapening. Dat levert voor- delen op ten aanzien van de arbeidsomstan - digheden (ARBO); de wapening is immers handzamer. Een nadeel is echter dat de staven ter plaatse niet kunnen worden ge- bogen. Ze moeten vooraf gebogen worden geproduceerd. Circulariteit In het kader van duurzaamheid is het van belang ook het einde van de levenscyclus te beschouwen. Een traditioneel gewapend betonnen element, dat niet in originele staat kan worden hergebruikt, kan worden gebro- ken. Vervolgens kan het betongranulaat opnieuw worden ingezet als grondstof. Het staal is eenvoudig te scheiden en kan wor- den versmolten om er weer nieuw staal van te produceren. Over de circulariteit van basaltvezel - wapening is nog weinig bekend. Op basis van huidige kennis is het niet mogelijk om nieuwe wapening te maken uit gebruikte 4 Kansverdeling van belastingeffect en sterkte [8] De treksterkte van basaltvezel - wapening neemt fors af over de tijd 4 CEMENT 3 2024 ?31 5 5 Geprefabriceerde netten geleverd door Orlitech basaltvezelwapening, in tegenstelling tot staal. Vanwege de brosheid van basaltvezel - wapening zal deze waarschijnlijk breken tijdens de sloop. Betongranulaat zal dus ver- moedelijk worden 'vervuild' met granulaten van basaltvezelwapening. Er is nog niet veel over bekend, maar aangezien het grootste deel van basaltvezelwapening een gesteente is, is de aanname dat de gegranuleerde sta - ven samen met betongranulaat weer in nieuw beton kan worden verwerkt. Regelgeving Basaltvezelwapening valt, net als glasvezel - wapening, onder de categorie composietwa - pening of FRP's. In de Verenigde Staten en Canada zijn hiervoor respectievelijk de nor- men ACI 440.1R-15 [3] en CSA S806:12 [4] van toepassing. Op Europees niveau is momen - teel nog geen specifieke norm beschikbaar. In de nieuwe versie van de Eurocode [5] is wel een informatieve Bijlage R opgenomen met ontwerpuitgangspunten voor compo- sietwapening, maar zonder ontwerpformu - les. Daarbij is deze bijlage beperkt tot glas- vezel- en koolstofvezelwapening, en dus niet voor basaltvezelwapening. In Nederland is BRL 0513 [6] van toepassing voor glasvezel - wapening. Vanwege de nagenoeg gelijke eigenschappen kunnen zowel Bijlage R als de BRL ook worden toegepast voor basaltvezel - wapening. Een belangrijk aandachtspunt is dat het gebruik van verschillende normen, richtlijnen of testmethodes ook veiligheids- kwesties met zich mee kan brengen. Om een bepaald betrouwbaarheidsniveau te waar- borgen, worden karakteristieke waarden vastgelegd voor sterkte en belastingen, met bijbehorende kansen van overschrijding en onderschrijding. De karakteristieke sterkte wordt gedeeld door een materiaalfactor. De belastingen worden vermenigvuldigd met een belastingfactor, afhankelijk van het type belasting en gevolgklasse. Uiteindelijk moet de sterkte (R d) hoger zijn dan het belastinge- ffect (E d) (fig. 4). De waardes die daarbij worden aange- houden zijn afhankelijk van de testmethode die een bepaalde norm voorschrijft. De treksterkte van basaltvezelwapening is bijvoorbeeld mede afhankelijk van de belas- 32? CEMENT 3 2024 tingsnelheid. Een treksterkteproef met een belastingsnelheid van 0,2 kN/s en 1 kN/s leverde een verschil van 280 MPa op [7]. Het door elkaar gebruiken van Euro- pese en Amerikaanse normen/richtlijnen kan de veronderstelde veiligheid in gevaar brengen. Project busremise Hoe in de praktijk kan worden omgegaan met toepassing en berekening van basaltve- zelwapening, wordt toegelicht aan de hand van een praktijkvoorbeeld: een busremise die momenteel wordt gebouwd in Breda. De huidige busremise bevindt zich aan de Slingerweg, waar vandaan de bussen zich door regulier verkeer naar het centraal station begeven. De nieuwe remise wordt geplaatst langs een snelle busbaan naar het station, tussen de Druivenstraat en de Oos- terhoutse busbaan (fig. 6). Dit bevordert de verkeersveiligheid en leidt tot tijdwinst, aan - gezien de verbinding sneller en betrouw - baarder is. Daarnaast streeft de provincie Noord-Brabant ernaar het openbaar vervoer- materieel te verduurzamen (zero-emissie). Deze schone, elektrische bussen moeten worden opgeladen, wat meer ruimte vereist. Brandwanden? Voor de veiligheid moeten er brandwanden tussen de bussen worden ge- plaatst om te voorkomen dat een eventuele brand overslaat. Deze brandwanden, met een totaal oppervlak van ongeveer 2500 m², zijn opgebouwd uit een fundering van stalen buispalen, stalen stijlen en betonnen brandwandpanelen tussen de stijlen (im - pressie zie fig. 7). De betonpanelen hebben een minimale dikte van 120 mm, conform de standaard brandwerendheid EI 120 voor niet-dragende wanden (NEN-EN 1992-1-2, tabel 5.3). De lengte varieert tussen de 3,0 en 6,0 m. De constructieve belastingen op de brandwandpanelen zijn beperkt tot het eigen gewicht en wind. Oorspronkelijk waren brandwanden ontworpen met wapeningsstaal. In het ka - der van verduurzaming is op initiatief van Holland Scherm onderzocht wat de impact zou zijn van het gebruik van basaltvezelwa - pening in de brandwandpanelen. Rekenen met basaltvezelwapening De eigenschappen van basaltvezelwapening verschillen zoals gezegd (bijna) op alle vlak - ken met die van wapeningsstaal. Dit heeft ook invloed op de berekeningen. Voor de busremise zijn berekeningen gemaakt op basis van zowel de Amerikaanse norm [3] als de Nederlandse beoordelingsrichtlijn [6]. In het oorspronkelijke ontwerp is on - derscheid gemaakt tussen panelen met een lengte van 3,0 tot 4,0 m en van 6,0 m. Het aan - gepaste ontwerp in basaltvezelwapening is alleen gebaseerd op het maatgevende paneel met een lengte van 6,0 m; die wapenings- configuratie is in alle panelen toegepast. 7 6 De meerwaarde van basaltvezel - wapening zit hem vooral in het feit dat het niet kan corroderen 6 Locatie huidige remise, het Centraal Station en de te realiseren remise [9] 7 3D-impressie brandwand CEMENT 3 2024 ?33 Hoewel uit de berekening bleek dat de hoe- veelheid basaltvezelwapening kon worden geoptimaliseerd, is besloten dezelfde hoe- veelheid wapening aan te houden als in het oorspronkelijke ontwerp. Er is immers al aanzienlijke milieuwinst te behalen met dezelfde diameters en het is nog een relatief nieuw materiaal waar nog weinig ervaring mee is, zowel bij de aannemer, het bevoegd gezag als de opdrachtgever. In de berekening is uitgegaan van de volgende uitgangspunten voor het maatgevende paneel: Sterkteklasse: C35/45 Afmetingen (l x b x h): 6,0 x 1,0 x 0,12 m³ Enkel wapeningsnet Ø8-100 (horizontaal) + Ø6-250 (verticaal) (fig. 9) Rekenwaarde treksterkte basaltvezelwape- ning? Omdat de treksterkte zoals gezegd in de tijd afneemt, moet zowel volgens de BRL 0513 [6] als de nieuwe Eurocode [5] de lange- duurtreksterkte van de wapening worden bepaald op basis van de korteduurtrek - sterkte. Hiervoor geeft de nieuwe Eurocode [5] de volgende formule: =t c e ftk 0 ftd FRP CCC f f = R t,c,e, FP0, 55 1, 5 0, 37 c [formule R.1 en R.2] Waarbij: f ftd is de ontwerptreksterkte van compo- sietwapening ?FRP is de partiele factor voor composiet- wapening C t is de factor die temperatuureffecten in rekening brengt C c is de factor tussen de treksterkte onder langdurige en korte belasting C e is de verouderingsfactor Als er geen informatie bekend is over de langeduursterkte, geeft de nieuwe Eurocode [5] reductiefactoren (C-factoren) voor glas- vezel- en koolstofvezelwapening, maar niet voor basalt. In het meest ongunstige geval is het product van de C-factoren voor glasve- zelwapening 0,196 en voor koolstofvezelwa - pening 0,448. De leverancier van de wape- ning van de busremise heeft enkel een korte duur karakteristieke treksterkte opgegeven (voldoende voor de Amerikaanse rekenme- thodiek). Om conform de Europese aanpak invulling te kunnen geven aan de reductie voor basaltvezelwapening, zijn verschillende normen geraadpleegd. Voor het langetermijn- effect gebruikt ACI 440 een factor ?, varië- rend tussen de 0,55 en 0,65, afhankelijk van het wapeningspercentage (zie fig. 10). Als materiaalfactor wordt, in zowel de BRL 0513 als de Eurocode voor composietwapening, de factor ?FRP = 1,5 gegeven. De Amerikaanse norm hanteert geen materiaalfactor. Om de rekenwaarde van de langeduur- treksterkte te verkrijgen, is de korteduurtrek - sterkte vermenigvuldigd met: =t c e ftk 0 ftd FRP CC C f f R t,c,e, FP 0,55 1,5 0,37 c == 8 Net gestorte brandwandpanelen, foto: Van Dijk Beton 8 34? CEMENT 3 2024 De rekenwaarde is dus 2,7 keer lager! Hier- door is de door de leverancier opgegeven korteduurtrekspanning van f ftk0 =1278 MPa gereduceerd tot een langeduurrekenwaarde van f ftd = 469 MPa. Ondanks het raadplegen van verschil - lende normen om de materiaaleigenschap- pen te bepalen, is beredeneerd dat deze reductie voor een betonnen paneel, dat nauwelijks wordt belast en een levensduur van 30 jaar heeft, een veilige aanname is. Uiterste momentencapaciteit? Bij het ont- werpen van een gewapende doorsnede wordt uitgegaan dat het wapeningsstaal de vloeispanning heeft bereikt op het moment van de uiterste momentencapaciteit. De kracht in de wapening (N s) is eenvoudig te bepalen, en door het vloeigedrag van staal treedt er een (zeer) sterk toenemende ver- vorming op voordat staalbreuk optreedt. Basaltvezelwapening is zoals gezegd volledig lineair elastisch. Afhankelijk van de hoeveelheid wapening zal één van beide ma - terialen, de wapening of het beton, als eerste bezwijken. Om de maximale momentenca -paciteit van een constructie met basaltvezel - wapening te bepalen, is daarom zowel in de ACI [3] als de BRL [6] een tweedeling in de formules zichtbaar. De ACI maakt helder onderscheid tus- sen drie zones (fig. 10). Bij lage wapenings- percentages wordt de wapening snel tot de breukspanning belast (tension controlled). Bij hoge wapeningspercentages zal de druk - zone van het beton als eerste bezwijken (compression controlled). En er is ook een overgangsfase (transition zone). Volgens Antonio Nanni, professor aan de Universiteit van Miami en autoriteit op het gebied van composiet wapening, heeft het de voorkeur om in de compression controlled zone te ont- werpen (art. 7.1.1 [3]). De BRL 0513 onder- scheidt deze drie zones ook, maar het onder- scheid is minder duidelijk. In de tension controlled zone wordt de mo- mentencapaciteit direct beïnvloed door de hoeveelheid wapening. Verhogen van de hoeveelheid wapening leidt tot een hogere momentencapaciteit. In de compression con - trolled zone geldt dit niet meer. De grafiek in 9 Basaltvezelwapening in brandwandpanelen 10 Reductiefactor sterkte als functie van het wapeningspercentage [3] 9 10 CEMENT 3 2024 ?35 figuur 11 laat voor een balkje 200 x 300 mm² de momentencapaciteit zien bij verschillen - de wapeningspercentages volgens zowel de ACI 440 als de BRL 0513. Vanaf de compression controlled zone is een duidelijke afvlakking te zien, het toevoegen van extra wapening heeft dan een beperkte(re) bijdrage. Opvallend is dat de fase-overgangen totaal niet gelijk val- len; dit is niet nader beschouwd. Daarentegen is het verloop van beide berekeningsmethodes redelijk vergelijkbaar. In het eerste deel is de capaciteit hetzelfde; uiteraard mede afhankelijk van de gehan - teerde reductiefactor. Bij de hogere wape - ningspercentages is het verschil beperkt ( k xmax ). Er is voor gezorgd dat de brandwandpanelen aan beide berekenings- methodes ruim voldoen. Dwarskracht? De optredende belastingen in de brandwandpanelen van de busremise zijn dermate laag dat er geen rekenkundige dwarskrachtwapening benodigd is en dat het betonaandeel V Rd,c,min voldoende is. De dwarskrachtcapaciteit van een betonnen element, gewapend met bas altvezel wapening, vereist in algemeenheid extra aandacht om de volgende redenen: 1 Het toestaan van grotere scheuren resul - teert in een afname van de scheurvertanding (aggregate interlock). 2 De deuvelwerking van de basaltvezelwa - pening is verwaarloosbaar vanwege de lage stijfheid en lagere belastbaarheid loodrecht op de vezel. 3 De bijdrage van basaltvezelbeugel wapening aan de dwarskrachtcapaciteit is minder dan die van wapeningsstaal. Voor wapeningsstaal wordt de vloeispanning gehanteerd, terwijl bij basaltvezelwapening fenomenen zoals twee-assige spanningen, gebogen staven, slip en verlenging een grotere rol spelen. Voor gebogen staven geldt dat ter plaatse van de buiging een maximale spanning van 40-50% van de gegarandeerde uniaxiale sterkte wordt geadviseerd (H6.2.4 [10]). Hechting met beton? De aanhechtingsfactor van de basaltvezelwapening aan het beton is onbekend en moet eigenlijk worden beproefd. De aanhechtingsfactor speelt een belangrijke rol bij het bepalen van onder andere de scheurwijdte en is afhankelijk van het type profilering (glad, geribd, zandcoating). Bij de berekening van de panelen is de hechting gelijkgesteld aan die van traditioneel wape- ningsstaal. In de uiteindelijke fase is het scheurmoment hoger dan het optredende moment, waardoor de constructie in de gebruiksfase niet zal scheuren. 11 Verloop momentencapaciteit o.b.v. BRL 0513 en ACI 440 11 36? CEMENT 3 2024 Resultaten berekening? De resultaten van de berekening op basis van de BRL 0513 zijn weergegeven in tabel 2. Vanwege onzeker- heden, zoals de aanname van de langeduur- treksterkte, is er gekozen voor een robuust ontwerp. Conclusie Het niet-geoptimaliseerde ontwerp van de brandwanden in de busremise met basalt- vezelwapening resulteerde in een MKI- reductie van 31% op de wapening en een afname van 8% in CO2-uitstoot voor fase A1-A3. De resultaten zijn veelbelovend op zowel constructief als duurzaamheidsgebied in deze casus. Voor bredere toepassing is echter meer kennis en ervaring vereist. De twee grote onbekenden in deze bereke- ning zijn de langeduurtreksterkte en de aanhechtingsfactor, waarbij dit project zich leende voor een pragmatische benadering. Twee aandachtspunten voor rekenen met basaltvezelwapening zijn (hoge) dwarskrach - ten en locaties waar gebogen trekwapening nodig is. Er bestaat geen specifieke Europese of Nederlandse rekenmethode voor basaltvezel - wapening. Wel wordt er in de nieuwe Euro- code invulling aan gegeven. Daarom is het verstandig om ter verificatie, naast de Euro- pese en Nederlandse methodes voor glas- vezelwapening, ook de Amerikaanse norm toe te passen tijdens het ontwerp. 12 Gerealiseerd paneel LITERATUUR 1?Klimaatimpact van betongebruik in de Nederlandse bouw, CE Delft, september 2020. 2?Betonhuis, betonmarkt in Nederland. 3?ACI 440.1R-15 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber- Reinforced Polymer (FRP) Bars. 4?CSA S806:12 Design and Construction of Building Structures with Fibre-reinforced Polymers. 5?prEN 1992-1-1:2021 General rules ? rules for buildings, bridges and civil engineering structures. 6?BRL 0513 Glasvezelstaven voor toepassing als wapening in beton. 7?https://orlitech.co.uk/wp-content/ uploads/2022/10/Thompson_Bridge_ Concrete_Magazine.pdf 8?De breedplaatvloerenproblematiek uitgelicht, cement 2020 9?https://www.brabant.nl/ onderwerpen/verkeer-en-vervoer/ openbaar-vervoer/bussen/nieuwe- busremise-westbrabant. 10?FRP reinforcement in RC structures, fib bulletin 40. Tabel 2?Resultaten o.b.v. BRL 0513 optredend grenswaarde UC moment M d = 4,4 kNmM u = 11 kNm 0,40 dwarskracht V d = 2,9 kNV u = 33 kN 0,09 scheurwijdte w k = 0,101 mmW max = 0,5 mm 0,20 12 CEMENT 3 2024 ?37