Uitwendige koolstoflijmwapening in actie Versterken van bestaande betonconstructies (2): voorgespannen koolstoflijmwapening 1 Versterking met voorgespannen koolstoflamellen voor bouwkundige afwerking 1 44?CEMENT?5 2022 Het drie verdiepingen tellende gebouw bestaat uit een betonnen hoofddraagconstructie met kolom- men en prefab balken. Het pand is volledig onderkelderd. De plattegrondafme- ting is circa 55 × 70 m² en is verdeeld in vier vloeroverspanningen: 2 × 18,0 m, 12,0 m en 7,2 m (fig. 2). De verdiepingsvloeren zijn ver- vaardigd met voorgespannen TT-liggers met een in het werk gestorte druklaag. Vanwege het speciale karakter van het Luxury Car Centrum is een hogere gebruiks- belasting van de vloer vereist dan voor regu- liere autoshowrooms. Uit een verkennende ber ekening bleek dat de capaciteit van de vloe- ren naar verwachting voldoende zou zijn in de uiter ste grenstoestand (UGT) in de nieuwe si- tuatie. Wel was te verwachten dat de TT-liggers zouden scheur en in de gebruikssituatie (BGT), met een significante toename van de doorbui- ging tot gevolg, wat onwenselijk kan zijn. Doorbuigingseis De geldende normen spreken alleen in alge- mene termen over de mate van vervorming v an elementen die acceptabel is. Doorbui- gingseisen worden ingegeven door de gevoelig- heid voor belasting (bijv. wateraccumulatie) of het gebruik (bijv. scheidingswanden of vloerafwerking). In dit project is de eis met betrekking tot vervormingen voornamelijk gestuurd door de aanwezigheid van een tegel- vloer in de nieuwe situatie. Te grote door- buiging in de BGT zou kunnen leiden tot het loslaten of scheuren van de tegelvloer. NEN-EN 1990 geeft in art. A1.4.3 een aantal handvatten met betrekking tot de maximale vervorming. Hier is onder andere een richt- lijn gegeven voor vloeren die scheurgevoelige scheidingswanden dragen (bijkomende doorbuiging w2 + w3 ? 1/500 · L ). Aangezien een hoge wand op een vloer over het alge- meen minder bewegingsvrijheid heeft dan een platte tegelvloer, is deze vervormingseis als veilige waarde aangehouden. Voor de vloervelden met een overspanning van 18,0 m betekent dit een maximaal bijkomende doorbuiging van 36 mm. Scheurmoment Er is voor elk van de drie verdiepingsvloeren gebruikgemaakt van TT-liggers met dezelfde doorsnedeafmetingen. De liggers op de eerste verdieping zijn opgelegd over de volledige hoogte van het element en de liggers op de tweede en derde verdieping zijn opgelegd op een nok. Vanwege de oorspronkelijke varië- rende belastingeisen zijn op elke verdieping liggers met een andere configuratie voor- spanstrengen toegepast. Uit een eerste berekening bleek dat aan de eerder genoemde doorbuigingseis kan worden voldaan als de TT-liggers niet scheu- ren in de BGT. Dit kan echter niet worden gegarandeerd met de in de nieuwe situatie geldende belastingen. Oplossingen Om de doorbuiging voldoende te beperken zijn drie alternatieven overwogen: ING. ANTONY VAN MIDDELKOOP Civieltechnisch Specialist ABT Velp IR. FRANK VAN GERVEN Projectleider / Constructeur ABT Velp auteurs In het Rotterdamse Spaanse Polder was jarenlang Mercedes-dealer Van Dijk & Dochters gevestigd. Dit icoon van de autowereld ging in 2013 echter failliet en sindsdien stond het pand aan de A20 leeg, tot eind 2021. Nu is het omgebouwd tot een Luxury Car Centrum voor Porsche, Lamborghini en Bentley. Om te grote doorbuiging van de bestaande vloeren te voorkomen moesten de TT-liggers worden verstijfd of het scheurmoment worden verhoogd. CEMENT 5 2022 ?45 A B C D E F G H J K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 platen dienen gesloopt te worden afzagen is niet mogelijk PRESTRESS SIDE (enkel) FIXED SIDE (enkel) PRESTRESS SIDE (enkel) FIXED SIDE (enkel, verlengd) PRESTRESS SIDE (enkel) FIXED SIDE (enkel, verlengd) 2.02 2.03 2.01 7200 7200 7200 4800 7200 7200 7200 7200 7200 7200 7180 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 zaagsnede zaagsnede zaagsnede zaagsnede zaagsnede zaagsnede zaagsnedezaagsnedezaagsnede zaagsnede (2x) zaagsnede zaagsnede zaagsnede (2x) zaagsnede (2x) zaagsnede (2x) zaagsnede (2x)zaagsnedezaagsnede TT - platen versterken - 2 voorgespannen CFRP stri ps per plaat - S&P C - laminate 150/2000 - 100/1,2 mm - voorspanning 100 kN per lamel 2.04 trap TT - platen versterken - 2 voorgespannen CFRP stri ps per plaat - S&P C - laminate 150/2000 - 100/1,2 mm - voorspanning 100 kN per lamel TT - platen versterken - 2 voorgespannen CFRP stri ps per plaat - S&P C - laminate 150/2000 - 100/1,2 mm - voorspanning 100 kN per lamel TT - platen versterken - 2 voorgespannen CFRP stri ps per plaat - S&P C - laminate 150/2000 - 100/1,2 mm - voorspanning 100 kN per lamel TT - platen versterken - 2 voorgespannen CFRP stri ps per plaat - S&P C - laminate 150/2000 - 100/1,2 mm - voorspanning 100 kN per lamel zaagsnede (door en door) zaagsnede (door en door) zaagsnede (door en door) zaagsnede (door en door) LL EE TT OO PP :: 6 lamellen per plaat TT - platen versterken - 66 voorgespannen CFRP stri ps per plaat - S&P C - laminate 150/2000 - 100/1,2 mm - voorspanning 100 kN per lamel LL EE TT OO PP :: 6 lamellen per plaat TT - platen versterken - 66 voorgespannen CFRP stri ps per plaat - S&P C - laminate 150/2000 - 100/1,2 mm - voorspanning 100 kN per lamel 2.06 2.05 FIXED SIDE (3 - voudig) 2x 3-voudige klem bij plaatsi ng rekening houden met ru imte voor span-equipment PRESTRESS SIDE (3 - voudig) LL EE TT OO PP :: 4 lamellen per plaat TT - platen versterken - 44 voorgespannen CFRP stri ps per plaat - S&P C - laminate 150/2000 - 100/1,2 mm - voorspanning 100 kN per lamel aanzicht trapaanzicht trap schaal 1 : 100 02 tweede verdieping Accepteren van scheurvorming en plaat- sen van stalen UNP-profielen tegen de rib- ben van de TT-liggers. De stalen constructie verzorgt de extra stijfheid die nodig is nadat scheurvorming ontstaat. Voorkomen van scheurvorming door het aanbrengen van extra voorspanning met behulp van: ? Shape Memory Alloy (SMA) [1]; ? voorspannen en oplijmen van koolstof- vezellamellen. Koolstoflijmwapening zonder voor- spanning (passieve versterking) was geen passend alternatief. Het scheurmoment wordt dan niet verhoogd en de bijdrage van de kool- stofwapening aan de buigstijfheid is gering. Vanwege de benodigde afmeting en profielen, wijze van verankering, bijhorende uitvoerings- risico's en esthetica is het alternatief met stalen profielen afgevallen. Het aanbrengen van extra voorspanning met behulp van SMA of voorgespannen koolstoflijmwapening wa- ren technisch gezien wel haalbare opties. SMA was tijdens dit project in Neder- land nog niet eerder toegepast (inmiddels wel, daarover meer in deel 3 van deze serie). Het voorspannen van koolstofwapening is wel een aantal keer eerder in Nederland toe- gepast, in een samenwerking tussen Balm en ABT. Dit betrof echter vlakke vloeren. In- ternationaal is er wel enige ervaring met deze methode van versterken van TT-liggers. 2 Plattegrond versterkingsopgave 2 PROJECTGEGEVENS project Luxury Car Centrum opdrachtgever PON Luxury Cars hoofdaannemer FixPlan BV onderaannemer lijmwapening Balm BV leverancier lijmwapening S&P Clever Reinforcement BV hoofdconstructeur Bouwadviesbureau Van der Ven BV constructeur versterking ABT BV oplevering december 2021 Legenda Vloerplaten te versterken TT-platen te versterken TT-platen met extra lamellen (4 of 6) per plaat geen versterking benodigd te slopen TT-platen (volgens model architect) 46?CEMENT?5 2022 Na afweging van de globale kosten en lever- tijd in combinatie met de aanwezige ervaring, is gekozen voor een versterking met voorge- spannen lijmwapening. Voorspannen Verhoging van de momentcapaciteit, door middel van passieve koolstoflijmwapening, kan in vrijwel alle gevallen worden gereali- seerd zonder dat mechanische verankering aan het einde van de lamel noodzakelijk is. Door de afname van het moment richting de oplegging neemt immers ook de correspon- derende trekkracht in de lamel af tot een voldoende laag niveau. Bij het toepassen van actieve koolstof- lijmwapening is de trekkracht aan het einde van de lamel als gevolg van de voorspanning vele malen hoger. Een mechanische eind- verankering is dan vereist om te voorkomen dat de lamel onthecht. Daarom is een speciaal spansysteem nodig om de koolstoflamellen voor te spannen. Bij het in dit project toegepaste sys- teem zijn de lamellen bevestigd aan een ankerplaat. Omdat het voorspansysteem breder is dan de ribben van de TT-liggers, is deze ankerplaat bevestigd aan speciale ankerschoenen (foto 3). Aan de zijden van een rib waar een lamel is aangebracht, is de betondekking weggehakt zodat het klemvlak van de ankerschoen gelijk ligt met het beto- noppervlak (foto 3 en 4). De ankerschoenen zijn volledig verlijmd met het beton en aan de bovenzijde voorzien van een door-en- door boutverbinding om onthechting te voor- komen. Om de lamellen te kunnen voorspan- nen, is op de schoen een slede met tijdelijke lamelklem aangebracht (foto 5 en 6). Aan 3 Plaatsen ankerschoen?4 Uitkappen ankerschoen 5 Spanequiment voorbereid?6 Lamel aanbrengen en klem sluiten ARTIKELENSERIE OVER VERSTERKEN Dit is het tweede deel in een drieluik dat ingaat op het versterken van bestaande betonconstructies. Het eerste artikel ('Mogelijkheden en aandachtspunten voor het versterken van constructies' ? Cement 2022/4) gaat over mogelijkhe- den en aandachtspunten voor het ver- sterken van constructies. Dit tweede artikel gaat in op voorgespannen kool- stoflijmwapening bij het versterken van een vloer in het Luxury Car Centrum voor Porsche. Het derde artikel gaat over voorspannen met 'geheugenstaal' (SMA), ook weer aan de hand van een projectvoorbeeld. 3 4 5 6 CEMENT 5 2022 ?47 7 7 Principe zijaanzicht voorspanschoenen en monitoringspunten verlenging lamel tijdens voorspannen 8 Aanbrengen voorspanning 9 Borgen en uitharden 9 8 48?CEMENT?5 2022 één zijde is deze spanklem star bevestigd (vaste zijde) en aan de andere zijde is hori- zontale translatie mogelijk (spanzijde) (fig. 7). Aan de spanzijde is een hydraulische vijzel geplaatst voor het aanbrengen van de voor- spanning (foto 8). Vóór het aanbrengen zijn de onderde- len van het spansysteem voorbereid en ont- vet. Vervolgens werd de lamel voorzien van epoxylijm, op het beton aangebracht en in de spanklemmen gemonteerd. Na montage van alle onderdelen is de lamel geleidelijk op spanning gebracht door de lamel met de vijzel uit te rekken. Bij het bereiken van de juiste voorspankracht werd de vijzel geborgd (foto 9). Na het borgen zijn de definitieve ankerplaten, die vooraf waren voorzien van epoxylijm, op moment vastgedraaid. Na vol- ledige uitharding van de lijm kon het tijdelij- ke spansysteem worden gedemonteerd en bleven de ankerschoen en definitieve anker- plaat achter (foto 1). Proefbelasting en numerieke analyse Op advies van ABT is besloten twee proefbe- lastingen uit te voeren. Het doel was enerzijds om nuttige ervaring op te doen met de ver- schillende uitvoeringsaspecten en anderzijds voor validatie van het rekenmodel. Daarnaast toont de proefbelasting de werking van het relatief onbekende concept aan naar de klant. Modellering?Ter voorbereiding op de proef- belasting zijn twee gefaseerde niet-lineaire eindige-elementenmodellen (NLEEM) ge- maakt van een TT-ligger inclusief druklaag. Eén model zonder en één model met ver- sterking, waardoor het gedrag en effect van de versterking kon worden bestudeerd. De fasering was van belang omdat de vloerop- bouw in fasen tot stand komt en dit bepa- lend is voor de spanningsverdeling en daar- mee ook voor het scheurmoment. Hierbij zijn de gemiddelde materiaalparameters gebruikt die zijn verkregen uit boorkern- onderzoek. Uit handberekeningen en de EEM- modellen bleek dat het scheurmoment van de onversterkte TT-ligger werd verwacht nabij de bruikbaarheidsgrenstoestand. Het werkelijke scheurmoment is afhankelijk van de daadwerkelijke aanwezige voorspanning en betontreksterkte van de betreffende ligger. De onversterkte TT-ligger is tijdens de proef- belasting belast tot een belastingniveau voor- bij de bruikbaarheidsgrenstoestand, zodat het scheurmoment is inbegrepen. Het scheur- moment van de versterkte TT-ligger ligt als gevolg van de extra voorspanning hoger. Proefbelasting met watertanks?Eén proef- belasting is uitgevoerd op een onversterkte ligger als referentie en één proefbelasting op een versterkte ligger. Voor de proefbelasting zijn TT-liggers gebruikt die zich bevonden 10 Proefbelasting met watertanks Te verwachten was dat de TT- liggers zullen scheuren in de gebruikssituatie met een signifi- cante toename van de doorbui- ging tot gevolg 10 CEMENT 5 2022 ?49 ter plaatse van een toekomstige vide, waar- door deze liggers niet zouden worden herge- bruikt. Voor de veiligheid is in beide gevallen onderstempeling tot aan het kelderniveau aangebracht (foto 11). Uit archiefstukken bleek dat de TT- liggers op vijf plaatsen onderling zijn gekop- peld. Op de TT-liggers is een constructieve druklaag van circa 60 mm aanwezig. Om de spreidende werking van de koppelingen en druklaag tijdens de proefbelasting te voorko- men, zijn de betreffende TT-platen losgezaagd. De proefbelasting is aangebracht door watertanks te plaatsen op de TT-ligger en deze stapsgewijs te vullen. Op zowel de ver- sterkte ligger als de onversterkte ligger zijn in totaal 30 watertanks met een inhoud van 1000 liter geplaatst (foto 10). Op de onver- sterkte TT-ligger zijn de watertanks verdeeld over de volledige lengte van de TT-ligger. In geval van de versterkte TT-ligger zijn de tanks geconcentreerd in het midden van de over- spanning. Op deze manier is met dezelfde middelen een hoger buigend moment te behalen. Metingen?Om de relatie tussen de belasting en doorbuiging van de versterkte en onver- sterkte TT-liggers te vergelijken, is belasting in stappen aangebracht. Met een debietmeter is nauwkeurig per belastingstap de hoeveel- heid water afgemeten. Na iedere belasting- stap is 15 minuten gewacht zodat de belasting zich kon zetten en is vervolgens de verplaat- sing van de liggers gemeten. Daarnaast zijn de ribben van de TT-liggers geïnspecteerd op scheuren, om de ontwikkeling van het scheurpatroon te monitoren (foto 12). Beide proefbelaste TT-liggers hadden een lengte van 17,2 m waarover per rib negen meetpunten zijn aangebracht. In figuur 13 is de zakking in het midden van de TT-ligger uitgezet tegen het buigend moment in de doorsnede. De proefbelastingen toonden aan dat de voorspanning in de lijmwapening zorgt voor het gewenste hogere scheurmo- ment. Tijdens de proefbelasting van de ver- sterkte ligger bleek een belastingniveau hoger dan de rekenwaarde van de belasting in de uiterste grenstoestand nodig om de ligger te laten scheuren. Dit als gevolg van de 11 11 Onderstempeling bij proefbelasting Een mechani- sche eindver- ankering met een speciaal spansysteem is vereist om te voorkomen dat de lamel onthecht 50?CEMENT?5 2022 BGT BGT UGT UGT 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 60 Buigend moment (kNm) Zakking in het midden van de overspanning (mm) Onversterkte vs. versterkte TT-ligger Proefbelasting onversterkte TT-ligger Proefbelasting versterkte TT-ligger relatief hoge gemiddelde betontreksterkte en mogelijk hoger voorspanniveau dan verwacht. Volgens verwachting liggen zowel de ongescheurde als de gescheurde takken van het last-zakkingsdiagram van de versterkte en onversterkte TT-ligger parallel aan elkaar. Het tweede punt in de diagram van de ver- sterkte TT-ligger ligt niet op de lijn doordat, zoals tijdens de zakkingsmeting bleek, één stalen koppeling met de naastgelegen TT- plaat niet volledig was doorgezaagd. Dankzij real time terugkoppeling van de zakkings- meting kon een afwijkend resultaat tijdig worden opgemerkt, zodat adequaat kon worden gehandeld. Inzichten?Naast de constructieve bevindin- gen leverden de proefbelastingen ook prak- tische ervaring met het systeem van voor- spannen van de lijmwapening. Zo bleek onder meer dat de aanwezige zeeg van de TT-liggers circa 30 mm bedroeg. Omdat door de voorspanning de lamellen 'recht' worden getrokken moest deze zeeg eerst aan de onderzijde worden uitgevuld met Uit de analyses bleek dat de maximaal te verwachten doorbuiging 36 mm is voor de zwaarst belaste locaties, hetgeen exact voldoet aan de gestelde eis 12 Scheurpatroon 13 Last-zakking onversterkt versus versterkt 12 13 CEMENT 5 2022 ?51 krimparme mortel, om zo een correct ver- lijmde lamel te verkrijgen in de eind­situatie. De variatie in de E-modulus van een lamel geeft een spreiding van de benodigde rek bij het aanbrengen van de voorspanning. Een handmatige controle van de verlenging van de lamel op een geijkt punt geeft inzicht of de lamel over de lengte evenredig rekt. Bovendien vereist een flinke voorspan- ning in een lamel een nauwkeurige werkwijze. Dit voorkomt dat kleine imperfecties van het ankersysteem of de plaatsing daarvan niet doorwerken in het constructieve systeem. Ontwerp Na de positieve uitkomst van de proefbelas- ting is het UO uitgewerkt. Als eerste is een nauwkeurige berekening van het scheur ­ moment en de capaciteit van de verschillen- de TT-platen uitgevoerd. Uit deze berekenin- gen volgde dat alle huidige onversterkte TT-liggers op de eerste en derde verdie- pingsvloer voldoende sterk zijn en het scheurmoment groot genoeg is. Op de twee- de verdieping hadden de liggers met een overspanning van 18,0 m weliswaar voldoen- de sterkte, maar was een extra voorspan- kracht nodig om het vereiste scheur ­ moment te verkrijgen (fig. 2 groen: geen versterking, geel: één lamel per rib, oranje: drie lamellen per rib). Op elke verdieping zijn een aantal liggers waarbij, bij monster- neming, een aantal voorspanstrengen is doorgeboord. Door deze beschadiging had- den deze liggers onvoldoende capaciteit en een te klein scheurmoment en moesten daarom worden versterkt. Bij de platen waarbij alleen een groter scheurmoment benodigd was, volstond het toepassen van één voorgespannen koolstof- vezellamel per rib. Deze lamel is aan de ­onderzijde van de rib gepositioneerd. Bij de liggers met beschadigde voorspan­ strengen waren, afhankelijk van de mate van beschadiging, twee of drie lamellen per rib nodig. Hierbij is één lamel aan de onder- zijde van de rib gepositioneerd en zijn één of twee lamellen aan de zijkant van de rib ­geplaatst (foto 14). Doorbuiging In de verkennende berekening is alleen gelet op de directe vervorming van de liggers. Er moest echter ook met een extra langeter- mijnvervorming rekening worden gehou- den. Vanwege de leeftijd van het gebouw is de bijkomende vervorming als gevolg van een groot deel van de permanente en veran- derlijke belasting reeds opgetreden. Daarom is alleen de langetermijnvervorming als gevolg van de belastingverhoging in reke- ning gebracht. Ook was het van belang om na te gaan welke doorbuiging daadwerkelijk van invloed kon zijn op de tegelafwerking. LITERATUUR 1?Michels, J., Shahverdi, M., & Czaderski, C. (2017). Flexural strengthening of structural concrete with iron-based shape memory alloy strips. Structural Concrete, 19(3), 876?891. 14 14 Meerzijdig versterkte ligger (tijdens tijdelijke borging) 52?CEMENT?5 2022 De reeds voor het aanbrengen van de tegel­ afwerking aanwezige vervorming heeft niet tot krachten in deze tegelvloer geleid. Al deze overwegingen resulteerden in een complexe opbouw van de te controleren ­belastingcombinaties. Uit de analyses bleek dat de maximaal te verwachten doorbuiging 36 mm is voor de zwaarst belaste locaties, hetgeen exact vol- doet aan de gestelde eis. Brandwerendheid Rondom de oplegnokken van TT-platen is vaak veel beugelwapening toegepast (fig. 15). Een scherpzinnige lezer zal al hebben opge- merkt dat ankerschoenen in de dekking worden geplaatst, hetgeen een nadelige in- vloed heeft op de brandwerendheid van de liggerkop. In veruit de meeste gevallen is de ankerplaat alleen aan de onderzijde ver- diept aangebracht. Aan de zijkanten van de ribben is de dekking intact gelaten. De beugelwapening heeft aan de on- derzijde onvoldoende (geen) dekking om te voldoen aan de toetsing van de brandwe- rendheidseisen met de tabellenmethode. Bijlage D.2 van de NEN-EN 1992-1-2 2005+A1:2019(en)+NB:2011 geeft echter een nadere toelichting op het beschouwen van dwarskracht- en wringwapening. Deze wa- pening is over het algemeen verticaal geori- ënteerd. Artikel D.2(2) en D.2(3) geven aan dat de constructie moet worden beoordeeld 'op een significant punt in de dwarsdoorsnede' vanwege de relatief gelijkmatige verdeling van de temperatuur in wapeningsstaal in verschillende temperatuurzones. 15 Significant punt bij de nokoplegging, waar wel gebruik mag worden gemaakt van de 'tabellenmethode' 15 Met een significant punt wordt bedoeld een punt waar daadwerkelijk een dwarskracht- scheur is te verwachten. In het maatgevende dwarskrachtmechanisme is een eerste dwarskrachtscheur te verwachten in de bin- nenhoek (zie rode pijl, fig. 15). Hier is geen dekking verwijderd en kan derhalve toch gebruik worden gemaakt van de 'tabellen- methode' en voldoet de constructie aan de dekkingseisen met betrekking tot brandwe- rendheid. Belasting met factor 2 verhoogd Door nauwkeurig te rekenen aan de be- staande constructie is het aantal te verster- ken vloerdelen tot het minimum beperkt. Tegelijk is door de gekozen manier van ver- sterken de toelaatbare nuttige belasting met bijna een factor 2,0 verhoogd ten opzichte van het oorspronkelijke ontwerp. Met de opgedane ervaring zijn ook andere toepassingen goed denkbaar. Het systeem kan immers op zowel vlakke platen, balken als ribben worden toegepast. Afslui- tend zijn onderstaand nog een aantal voor- beelden genoemd van situaties waarin het voorspannen van koolstofvezelwapening ook een geschikte oplossing kan zijn. Het herstellen van de constructie met aan- getaste voorspanning (na brand, ten gevolge van corrosie of aanrij-/boorschade). Het reduceren of beheersen van doorbui- ging en scheurvorming bij civiele werken, al dan niet in combinatie met een capaciteits- verhoging. In aangepaste vorm zijn ook mogelijkheden denkbaar bij metselwerk constructies. CEMENT 5 2022 ?53