Mogelijkheden en aandachtspunten voor het versterken van constructies Versterken van bestaande betonconstructies (1) 1 Lijmwapening wordt geplaatst bij de Nijkerkerbrug, foto: Mourik 1 44? CEMENT 4 20 22 Zoveel mensen, zoveel wensen, ook als het gaat om gebouwen en infrastructuur. Maar mede door beperkt stikstofbudget en de noodzaak CO?-uitstoot te beperken, is het onverantwoord om in al deze wensen te voorzien door alleen nieuw- bouw te plegen. Van veel bestaande (beton) constructies is de technische levensduur nog lang niet verstreken. Als gevolg van ge- wijzigd gebruik of gewenste aanpassing kan het wel nodig zijn om (versterkings)maatre- gelen te nemen. Een andere situatie waarbij versterkingsmaatregelen nodig kunnen zijn, is wanneer aantasting of schade aan de constructie is ontstaan. Ook gaat er tijdens nieuwbouw wel eens iets mis. Het slopen van nieuwe elementen is kostbaar, leidt tot stagnatie van het project en tot verspilling. Zowel bij hergebruik, aantasting, als het oplossen van bouwfouten, zou sloop en vervolgens nieuw bouwen onderaan het keuzelijstje moeten bungelen wanneer ver- sterken van de bestaande constructie ook een oplossing is. Wanneer gesproken wordt over ver- sterken, blijkt overigens dat niet iedereen het altijd over hetzelfde heeft. Er moet on - derscheid worden gemaakt tussen 1) ver- sterken: het verhogen van de capaciteit, en 2) verstijven: het verhogen van de weerstand tegen vervorming. Beide zijn mogelijk maar het onderscheid is van belang omdat dit mede bepalend is voor de keuze van te nemen maatregel. Onderzoek Voor het correct bepalen van de noodzaak en omvang van versterkings- of verstijvings- maatregelen, moeten verschillende karakte- ristieken van de constructie bekend zijn. Te denken valt aan: materiaalparameters (zowel beton- als wapeningskwaliteit); aanwezige wapening; al dan niet toegepaste staffeling in de wapening; constructiedikte; dekking op de wapening; statisch systeem. Deze informatie is nodig om de opneembare belasting vast te stellen. De voortgang van een project is erbij gebaat als door de hoofd- constructeur hieraan voldoende aandacht en zorg wordt besteed. Een verkeerde ver- onderstelling of te sterke vereenvoudiging van de situatie kan leiden tot zowel onder- als overschatting van de te nemen maatre- gelen. Omdat de detailuitwerking van de versterking vaak pas in een uitvoeringssta- dium nauwkeuriger wordt beschouwd, zijn de consequenties van de verkeerde vooron - derstelling relatief groot. In de meeste gevallen zijn veel van deze gegevens eenvoudig te achterhalen in de bouwdossiers of (gemeentelijke) archieven. Wanneer dit niet het geval is, kan door mid- del van goed uitgevoerd, (non-)destructief onderzoek de constructie in kaart worden ING. ANTONY VAN MIDDELKOOP Civieltechnisch specialist Medeauteur CROW-CUR Aanbeveling 91:2021 ABT Velpauteur In de afgelopen decennia zijn er ontelbare betonconstructies gerealiseerd. Als gevolg van bouwfouten, aantasting, belastingverhoging, functiewijzing of aanpassing van het statische systeem, komt het regelmatig voor dat deze bouwwerken niet meer voldoen aan huidige normen of wensen. Slopen en nieuwbouw is vaak onnodig omdat met (relatief eenvoudige) versterkingsmaatregelen de constructie weer jaren mee kan. Wat zijn daarbij de mogelijkheden en waar moet rekening mee worden gehouden? CEMENT 4 2022 ?45 gebracht. Ook kan met testen goed worden gemeten wat de werkelijke sterkte is en of er mogelijk zelfs sprake is van een (fors) grotere sterkte dan gedacht. Met name bij oudere constructies moet men alert zijn op afwij- kingen tussen archiefstukken en de werke- lijke situatie. Door middel van bijvoorbeeld wapeningsdetectie en kernboringen kunnen gegevens worden geverifieerd (foto 2).Zodra het capaciteitstekort of defect in kaart is gebracht, kan de haalbaarheid van versterkingsoplossingen worden onder- zocht. Deze haalbaarheid wordt overigens niet alleen bepaald door de constructieve prestaties. Vaak zijn bereikbaarheid, han- teerbaarheid, functionaliteit, esthetica en (niet hebben van) inpassingshoogte belang- rijke factoren. Mogelijkheden Wanneer versterking nodig blijkt, zijn er meerdere oplossingsrichtingen denkbaar. Er zijn grofweg vier soorten versterkings- maatregelen met elk hun toepassingsgebied en randvoorwaarden te onderscheiden. Een niet-uitputtend overzicht is gegeven in tabel 1. In het volgende deel zijn de verschil- lende versterkingsmethodieken beknopt 2 Meerdere afwerklagen aangetroffen bij kernboring 3 Stalen portaal vangt metselwerk op, foto: Staalportaal.nl ARTIKELENSERIE OVER VERSTERKEN Dit is het eerste deel in een drieluik dat ingaat op het versterken van bestaande betonconstructies. Dit eerste artikel gaat over mogelijkheden en aandachtspunten voor het versterken van constructies. Het tweede en derde artikel gaan aan de hand van een project in op twee nieuwe ontwikkelingen voor het versterken en verstijven van betonconstructies: voor- gespannen koolstoflijmwapening en voorspannen met 'geheugenstaal'. 2 3 Tabel 1?Soorten versterkingsmaatregelen met toepassingsgebied categorie voorbeeldentoepassingsgebied voordelen nadelen uitwendige hulpconstructie hoeklijnen, onderslagbalken, (stalen) kolommencreëren van een nieuwe opleg- ging, beperken van vervorming en toevoegen van capaciteit door alternatieve of gedeeltelijke belastingafdracht grote versterkingsfactor haalbaar zichtwerk, inbouwruimte, clash met installaties, oplegvoorzieningen nodig vergroten betondoorsneden overlagingen, opdikken kolommen, spuitbetonverhogen dwarskrachtcapaciteit, brandwerendheid, normaaldruk - kracht geschikt voor integraal herstel van aangetaste constructies verlies van vrije hoogte/ruimte, toevoegen van belasting, mogelijk hinder van lekwater vergroten wapenings doorsnede stalen strippen, (koolstof) lijmwapening, wapening in betonoverlaging of spuitbeton trek, buigend moment en dwars- kracht (beugelwapening) goedkoop, relatief beperkte inbouwruimte nodig, veelzijdigbijdrage aan stijfheid beperkt, beperkt door opneembare schuifspanning en gedrag in BGT voorspannen voorgespannen koolstoflijm- wapening, Shape Memory Alloy (SMA)beheersen scheurvorming en doorbuiging van elementen onder trek en/of buigend moment invloed op BGT-gedrag, toepasbaar in situatie met strenge eisen aan stijfheid en scheurvorming rekening houden met verhinderde vervorming, meer uitvoeringshandelingen 46? CEMENT 4 20 22 toegelicht, met daarbij enkele voor- en na- delen. Hierbij is uitgegaan van het primaire doel het oplossen van een tekort aan bui- gend moment- of trekbandcapaciteit. Andere methoden kunnen van toepassing zijn voor andere doelen zoals het verhogen van dwarskrachtcapaciteit. Onderslagbalken? Een mogelijk oplossing voor het versterken is het gebruik van stalen onderslagbalken (foto 3). In voorkomende gevallen valt daar niet aan te ontkomen. Bij- voorbeeld als een systeemvloer die onvol- doende is gekoppeld in de voegen, moet worden geraveeld, of metselwerk moet wor- den opgevangen. Maar ondanks beperkte materiaalkosten is het meestal geen voor- keursoplossing. Zo is het creëren van vol- doende oplegging vaak niet eenvoudig, is er veel inbouwruimte nodig en vraagt het om zwaar verticaal transport terwijl er vaak maar beperkt ruimte beschikbaar is. Stalen strippen? Meer voor de hand ligt het uitwendig aanbrengen van stalen strippen (foto 4). Constructiestaal is makkelijk te ver- krijgen en het materiaalgedrag is bekend. Een aantal aandachtspunten mogen niet over het hoofd worden gezien. Want niet alleen moet de stalen strip voldoende sterk zijn, ook de verbinding met het beton en de wijze van aanbrengen vereisen aandacht. Alleen verlijmen is door het gewicht van de staalstrip bewerkelijk. Daarnaast worden hoge schuifspanningen in het lijmvlak als gevolg van de lage breedte/dikteverhouding van de strippen maatgevend, waardoor de doorsnedecapaciteit niet kan worden benut. In plaats van verlijmen kan ervoor worden gekozen de stalen strippen vast te zetten met in het beton geboorde ankers. De schuif- spanning die per anker moet worden opge- nomen, is locatieafhankelijk. Hiermee moet rekening worden gehouden in de verdeling van de ankers. De lokale krachtsinleiding en het boren van gaten kan het scheurge- drag van het te versterken beton nadelig beïnvloeden. Tot slot is er niet altijd ruimte voor een stalen strip en de uitstekende ankers. Overlaging? Wanneer er ook een tekort aan dwarskrachtcapaciteit is, brandwerendheid een grote rol speelt of het tekort aan moment- capaciteit vooral boven de steunpunten aanwezig is, kan worden gedacht aan een 4 Stalen strippen met boutverankering Mogelijke versterkings- methodieken zijn onderslagbalken, stalen strippen, overlagingen, koolstoflijm - wapening en geheugenstaal 4 CEMENT 4 2022 ?47 5 6 7 5 Versterken van Lingebrug bij Geldermalsen met betonoverlaging, foto: Movares6 SMA-wapening ten behoeve van een trapgat, foto: BeVePro7 Koolstoflamellen toegepast onder een viaduct 48? CEMENT 4 20 22 betonoverlaging, al dan niet uitgevoerd in ultra-hogesterktebeton (foto 5). Bij dunne vloeren kan een overlaging ook significant bijdragen aan de stijfheid van de vloer.De grootste bezwaren voor het toepas- sen van een betonoverlaging zijn het verlies van vrije hoogte, de ongelijkheid ten opzichte van omliggende ondergrond en de extra toe- gevoegde belasting. Omdat er relatief veel massa wordt toege- voegd, wordt de verhoging van de moment- capaciteit deels teniet gedaan door de ver- hoging van de optredende momenten. Daarnaast moet rekening worden gehouden met de aanhechting (voldoende ruw opper- vlak of inboren van deuvels) en de fasering. Wanneer de onderliggende (dunne) vloer niet wordt onderstempeld, wordt de wape- ning in de bestaande vloer al voor een (groot) deel aangesproken. De samenwerkende betondoorsnede kan dan alleen worden aangehouden voor de bijkomende belasting na uitharden van de overlaging. Koolstoflijmwapening? Koolstoflijmwapening is wapening die in de vorm van lamellen wordt aangebracht (verlijmd) op het opper- vlak van de bestaande betonconstructie. De toepassing begint steeds meer ingeburgerd te raken in constructieve renovatie- en ver- bouwprojecten. Verderop in dit artikel wordt de oplossing met koolstoflijmwape- ning verder toegelicht. Geheugenstaal? Shape Memory Alloy (SMA) is een metaallegering met een 'geheugen- functie'. Koud vervormde producten keren bij verwarming of elektrische spanning te- rug naar de oorspronkelijke vorm. In de constructiewereld zijn toepassingen met strippen en staven denkbaar. Door middel van een mechanische bevestiging wordt een koud gerekte lamel of staaf op/in het beton bevestigd. Vervolgens worden de staven ver- hit waardoor deze willen verkorten tot de oorspronkelijke vorm. Ten gevolge van de verhindering van deze vervorming wordt de constructie voorgespannen. Het toepassen van SMA bij betoncon- structies is één van de nieuwste ontwikke- lingen op het gebied van versterking en verstijven. Het is in Nederland pas bij een beperkt aantal projecten toegepast (foto 6). In het derde artikel van dit drieluik zal nader worden ingegaan op de werking en toepassingsgebieden van SMA. Koolstoflijmwapening Koolstofwapening, ook bekend als Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP), wordt tot op heden voornamelijk toegepast in passieve vorm. Koolstoflamellen worden daarbij spanningsloos uitwendig verlijmd op het oppervlak van het beton (foto 7). Met het aanbrengen van koolstofwa- pening kan de momentcapaciteit worden vergroot. De kracht in de lijmwapening wordt door schuifspanningen van de lijm overgebracht op het beton. De capaciteit van de koolstoflijmwapening wordt hoofdzake- lijk bepaald door de weerstand tegen ont- hechting van het aanhechtvlak lijm-beton. Breuk van de lamel (>3-4000 N/mm²) is veelal niet maatgevend. Onthechting kan plaatsvinden aan het einde van de lamel (eindverankering) of ter plaatse van (af - schuif )buigscheuren. Versterken met koolstofwapening kent meerdere voordelen ten opzichte van traditionele versterkingsmethoden: De effectief toe te laten spanning van kool- stofwapening is bijna twee keer zo hoog als van B500 wapeningstaal. Koolstofwapening is vrijwel ongevoelig voor aantasting door dooizouten, zuren en vocht. Het materiaal is licht van gewicht en daar- door eenvoudig te hanteren, ook op moeilijk bereikbare plekken. Koolstofwapening is eenvoudig transpor- teerbaar (lamellen zijn op rol verkrijgbaar). De geringe dikte is eenvoudig mee te schil- deren of weg te werken in een stuclaag. Vanwege de lagere stijfheid in vergelijking met wapeningsstaal en het al aanwezig zijn van (een deel van) de permanente belasting, is de invloed op het scheurmoment, de scheurwijdte en doorbuiging echter beperkt. Capaciteit? Op basis van een aantal vuistre- gels is de haalbaarheid van een versterking op buiging met koolstoflijmwapening in De capaciteit van de koolstof - lijmwapening wordt hoofdzakelijk bepaald door de weerstand tegen onthechting van het aanhecht- vlak lijm-beton CEMENT 4 2022 ?49 te schatten. Eén daarvan is de versterkings- factor, de verhouding tussen het nieuw op- tredende moment en de aanwezige capaci- teit. Versterken tot met een factor 1,5 à 1,7 kan over het algemeen met een passief sys- teem en zonder brandwerende bescher- ming. Is er meer dan een factor 2,2 verster- king nodig of moet ook de doorbuiging of scheurwijdte worden beheerst, dan moet al snel worden gedacht aan een actief systeem, al dan niet in combinatie met brandwerende bescherming. Of een ander systeem moet worden overwogen, zoals het eerder beschre- ven draagsysteem in de vorm van stalen balken. Tussen een versterkingsfactor 1,7 en 2,2 is het sterk situatieafhankelijk wat er nodig is en moet van geval tot geval worden beoordeeld. Brand? De (epoxy)lijmen waarmee koolstof- lijmwapening wordt aangebracht hebben een glastransitie- of verwekingstemperatuur van circa 60°C. Bij deze temperatuur wordt de lijm rubberachtig of zelfs viskeus. De bij- drage aan de capaciteit is bij deze hogere temperaturen niet meer te onderbouwen met de reguliere normen en richtlijnen, omdat de verandering in composietwerking en het onthechtingsgedrag niet in de be- schreven rekenregels worden gevat. In het algemeen kan worden gesteld dat de bijzon- dere belastingcombinatie voor brand op- neembaar moet zijn door de onversterkte constructie. Als dit niet het geval is, dient brandwerende bekleding te worden toege- past om de koolstoflijmwapening ook in de situatie brand te mogen meerekenen. Een actief systeem in de vorm van een opschui- mende coating werkt doorgaans niet, omdat deze pas bij een hogere temperatuur dan 60°C reageert. Normen? In 2021 is de derde herziene uitgave van CROW-CUR Aanbeveling 91 uitgekomen, waarbij deze in lijn is gebracht met de huidige Eurocode-reeks. Deze Aanbeveling richt zich alleen op traditioneel gewapende construc- ties versterkt met koolstoflamellen of -doek en geeft één methode voor het berekenen van een dwarskrachtversterking. Reken- regels voor een breder toepassingsgebied worden beschreven in het 'state-of-the-art report' fib Bulletin 90, de opvolger van fib Bulletin 14. Breder toepassingsgebied? Voorgaande beschrijft voornamelijk de toepassing van uitwendig gelijmde koolstofstrippen. De In 2021 is de derde herziene uitgave van CROW-CUR Aanbeveling 91 uitgekomen 8 9 8 NSM-wapening toegepast op een zwaar bereden pier 9 Kolomversterking met koolstofdoek 50? CEMENT 4 20 22 hiervoor genoemde normen, literatuur en recente praktijkervaring [6, 8-10] geven ech- ter een veel breder toepassingsgebied weer: Voorgespannen koolstoflijmwapening: een koolstoflamel of -staaf wordt op voorspan- ning gebracht, verankerd aan de uiteinden en daarna verlijmd. Het tweede artikel in dit drieluik zal hier aan de hand van een prak- tijksituatie nader op ingaan. NSM-wapening ('Near Surface Mounted') [1, 5] in de vorm van staven en smalle lamel- len (10-30 mm breed) die in sleuven in de betondekking worden verlijmd (foto 8). In tegenstelling tot uitwendig verlijmde la- mellen, zijn NSM-lamellen tot een veel hogere rek te belasten en daardoor meer geschikt voor een hogere versterkingsgraad. Koolstofdoek [1] (foto 9): het weefsel is flexibel en wordt in het werk verlijmd. Deze vormvrijheid maakt het mogelijk om balken en kolommen te omwikkelen. In geval van balken kan zo de dwarskrachtcapaciteit worden verhoogd. In geval van kolommen kan de rekenwaarde van de betondruk- sterkte en ductiliteit worden verhoogd als gevolg van opsluiting, ook wel bekend als 'confinement'. Koolstofgrid in spuitbeton [2] (foto 10): een net van koolstofvezelwapening wordt in een laag spuitmortel aangebracht. Deze methode kan zowel worden gebruikt voor het verhogen van de momentcapaciteit als voor het om- wikkelen van kolommen. Seismische versterking [1]. Reikwijdte Het is onmogelijk om alle bestaande verster- kingsoplossingen en beschikbare normen inhoudelijk te behandelen. Daarvoor zijn simpelweg te veel oplossingen beschikbaar. Bovendien vraagt elke situatie om maatwerk. Op basis van ervaringen kan worden gesteld dat veel van de beschreven principes toepasbaar zijn voor zowel de woning- en utiliteitsbouw als voor civiele betonconstruc- ties. Men moet, als gevolg van de andere orde van grootte van de krachtswerking in de civiele bouw, wel bedachtzaam blijven op de inpassingsmogelijkheid van een verster- kingsoplossing. Ter illustratie: een wape- ningstaaf Ø16 B500 staat in orde van grootte gelijk aan één koolstoflamel 100 x 1,2 mm, terwijl voor één wapeningsstaaf Ø32 B500 drie á vier naast elkaar geplaatste koolstof- lamellen van dezelfde afmeting nodig zijn. 10 10 Applicatie koolstofgrid in spuitbeton, foto: Vogel BV LITERATUUR 1?Verbaten, M., Beek, M. van, FRP in seismisch belaste betonconstructies. Cement 2008/8. 2?Verbaten, M., Koolstofwapening in spuitbeton. Cement 2012/8. 3?Kleinman, C., Hordijk, D., Klamer, E., Koolstofvezelwapening, Promotie- onderzoek naar de invloed van temperatuur. Cement 2010/1. 4?CROW-CUR Aanbeveling 91:2021, Versterken van gewapend- betonconstructies met uitwendig gelijmde koolstofvezelwapening. CROW, 2021. 5?fib Bulletin 90, Externally applied FRP reinforcement for concrete structures, mei 2019. 6?Verbaten, M., Maten, R. ter, Groeneweg, T., Minimale hinder dankzij intensieve samenwerking, Cement 2018/8. 7?Jansze, W., Strengthening of Reinforced Concrete Beams in Bending by Externally Bonded steel Plates - Design for Beam Shear and Plate Anchorage. Proefschrift Technische Universiteit Delft, Delft University Press, oktober 1997. 8?Hulst, M. van der, Pouwels, N., Tribunes inside (out). Cement 2016/8. 9?Schijffelen, H., Riemens, C., Verbaten, M., Niet-lineair analyse breedplaatvloeren. Cement 2019/1. 10?Verbaten, M., Middelkoop, A. van, Innovatieve versterkingsmethode balkons. Cement 2015/5. CEMENT 4 2022 ?51