50 Innovatie versterkings - methode balkons Beperkte esthetische veranderingen, overlast en een hoge versterkingsgraad Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015 51 stalen staaf stalen staafdruklaag gefreesde sleuf 1 De nieuwe versterkingsmethode van uitkragende betonnen balkons: in de kopse kant van de uitkraging worden gaten geboord, waarin koolstof wapeningsstaven tot in de achterliggende vloer of randbalk worden verlijmd 2 Principeschets alternatieve oplossingen In mei 2011 brak er bij de Antillenflat in Leeuwarden, zonder enige waarschuwing, een deel van de bovenste galerijplaat af. In zijn val sleurde deze plaat de onderliggende galerijplaten mee. Na onderzoek werd vastgesteld dat putcorrosie en een te lage ligging van de wapening de oorzaak waren. In Nederland zijn in navolging daarop op verschillende doorgestorte beton- en galerijplaten inspecties uitgevoerd. Bij verschillende van deze onderzochte galerijplaten bleek dat de constructieve veiligheid niet is gewaarborgd. Oorzaak is een te lage ligging van de wapening, soms in combinatie met chloride geïnitieerde putcorrosie [1]. Behalve het aanbrengen van een stalen hulpconstructie, zijn veelgebruikte versterkingsmethoden gebaseerd op het inboren van stalen ankers in de verhoogde, achterliggende binnenvloer. Hierbij worden de ankers in een apart op de uitkraging aan te brengen druklaag verankerd, of in een sleuf omgebogen en met epoxy afgevuld (fig. 2). Er kleven echter nadelen aan deze systemen. Zo is de aanhechtsterkte van het bestaande beton vaak te beperkt om voldoende samenwerking tussen de druk- laag en de uitkragende betonplaat te verkrijgen. Mede daarom zijn veel ankers nodig om de juiste versterkingsgraad te halen. Een significante kostenpost bij deze herstelmethoden is dat coatings of dekvloeren van de uitkraging worden beschadigd of zelfs geheel moeten worden vernieuwd. Versterken zonder extra schade In de zoektocht naar een passende oplossing voor dit probleem heeft Vogel B.V. in samenwerking met ABT bv, B+BTec en S&P Clever Reinforcement een aantal brainstormsessies georgani- seerd met als doel een alternatieve versterkingsmethode te ontwikkelen. Uit deze sessies is een aantal eisen naar voren gekomen waaraan de versterkingsmethode moet voldoen: - herstellen van de constructieve veiligheid door de uitkra- gende vloer in de achterliggende constructie te verankeren; - minimale overlast voor bewoners tijdens uitvoering, bijvoor - beeld op het gebied van bereikbaarheid, geluidsoverlast, vuil en stof; 1 ing. Mark Verbaten, ing. Antony van Middelkoop ABT bv Naar aanleiding van de in 2011 ingestorte galerij- platen in Leeuwarden zijn door heel Nederland inspecties uitgevoerd op doorgestorte betonnen galerij- en balkonplaten. Door verkeerde uitvoering of corrosie van de wapening werd daarbij in veel gevallen een verminderde draagkracht geconsta- teerd. Er is een nieuwe versterkingsmethode ontwikkeld die een oplossing biedt in situaties waar andere versterkingssystemen niet wenselijk zijn. Daartoe worden gaten in de kopse kant van de uitkraging geboord, waarin vervolgens koolstof wapeningsstaven tot in de achterliggende vloer of randbalk worden verlijmd. 2 Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015 52 boren gebeurt met een watergekoelde, holle diamantboor. Door het gebruik van water en een goede afzuiging is er geen stofont- wikkeling. Daarbij geeft dit type boor weinig geluidsoverlast. Verlijmen CFRP-bars Om boorslurry te verwijderen, worden de gaten na het boren gespoeld en geborsteld. Vlak voor het inlijmen worden de gaten met perslucht uitgeblazen om de laatste resten te verwij- deren. De epoxy wordt met een slang van achteruit het gat aangebracht om een volledige vulling zonder luchtinsluiting te garanderen. De CFRP-bars worden vervolgens in de met lijm gevulde gaten gedrukt (foto 4). De vullingsgraad is bij een goede uitvoering volledig, wanneer de lijm hierbij uit het boorgat wordt gestuwd. Om ervoor te zorgen dat de CFRP-bar volledig is omhuld door epoxy en gecentreerd in het gat wordt geplaatst, zijn afstandhouders op de staaf aangebracht. Onderzoeksfase In de aanloop naar deze oplossingsmethode zijn verschillende onderzoeken uitgevoerd. Eerst oriënterend om gedegen afwe- gingen te kunnen maken in de boormethode en verlijming. Vervolgens op werkelijke schaal om de capaciteit en het speci- fieke faalmechanisme van het systeem vast te stellen en om ervaring op te doen met de uitvoering. Hiertoe is een full scale proefopstelling gebouwd die tot bezwijken is belast. - de herstelmethode mag niet zichtbaar zijn; - geen onderhoudskosten na applicatie; - geen schade aan dekvloer of coating van de uitkragende vloer en voorkoming van bijkomende kosten; - niet gevoelig voor chloride-aantasting. De oplossing is gevonden in het boren van gaten in de kopse kant van de uitkraging tot in de achterliggende randbalk of vloer. De afwerking kan hierbij intact worden gelaten. In deze gaten worden koolstof wapeningsstaven (CFRP-bars ofwel carbon fibre-reinforced polymer) met epoxy verlijmd. CFRP is niet gevoelig voor corrosie en heeft een hoge treksterkte waar - door het aantal ankers kan worden beperkt. Doordat de werk- zaamheden geheel aan de buitenzijde worden uitgevoerd (er hoeft niet in de woning te worden gewerkt), is de overlast voor de bewoners minimaal (foto 1). Boorproces Voor een dergelijke methode is een nauwkeurige uitvoering essentieel. Er is daarom voor deze toepassing een boorinstal- latie met geleider ontwikkeld, die het mogelijk maakt om over een grote afstand gaten met een kleine diameter te boren in een relatief dunne vloer (foto 3). De installatie wordt door middel van een klemsysteem aan de uitkraging bevestigd. Het totale boorsysteem weegt circa 52 kg waardoor er slechts een gering inklemmingsmoment op de galerijplaat wordt uitgeoefend. Het 3 Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015 53 3 De boorinstallatie 4 Aanbrengen van de CFRP-bars 5 Goede positie en vulling boorgat Om de gunstige invloed van de betontreksterkte op de momentcapaciteit uit te sluiten, is eerst de belasting opgevoerd tot het scheuren van de betondoorsnede. Vervolgens is de opstelling ontlast en opnieuw belast om alleen de versterking volledig te belasten tot bezwijken. Tussen elke belastingstap is de vervorming gemeten (fig. 7). Na de proefbelasting zijn er zaagsneden aangebracht over de lengte van de CFRP-bars. Hierdoor is het mogelijk het bezwijkmechanisme en de vullingsgraad te achterhalen. Oriënterend onderzoek Zowel de wand van het met diamant geboorde gat als de CFRP- bars is relatief glad. Een goede aanhechting van de staaf met het beton staat of valt met een geschikte lijm. De verwerkbaarheid en sterkte van de lijmverbinding zijn daarbij de belangrijkste parameters en zijn daarom voorafgaand aan verdere toepassing uitvoerig onderzocht. De lijm moet viskeus genoeg zijn om te worden aangebracht in een boorgat van Ø20 mm met een maximale diepte van 2,5 m. Echter mag deze niet te viskeus zijn omdat dan het risico op wegvloeien van de lijm ontstaat. Dit heeft mogelijk een onvol- ledige omhulling tot gevolg. Om een goede vullingsgraad te bereiken, is geëxperimenteerd met verschillende lijmen, cementgebonden mortels en vulmethoden. De cementgebon - den mortels zijn hierbij afgevallen vanwege de geringe aanhechting op de CFRP-bars. Het verdere onderzoek is daarom uitgevoerd met verschillende epoxylijmen. Hierbij is gebleken dat luchtinsluiting tijdens het inlijmen van de CFRP- bars kan worden voorkomen door de gaten van achteruit met een flexibele slang te vullen (foto 5). Door het uitvoeren van diverse uittrekproeven op ingezande en gladde CFRP-bars, verlijmd in beton, is bepaald welke combi- natie van lijm en type staaf het meest geschikt is. Uit deze proeven blijkt dat een specifiek voor CFRP ontworpen epoxy in combinatie met de gladde CFRP-bar het meest geschikt is. De ingezande staven bleken een grotere spreiding te vertonen in de uittrekproeven. Dit is waarschijnlijk het gevolg van een onge- lijkmatige verdeling van de zandkorrels op de staaf. Full scale onderzoek De kennis verkregen in de oriënterende fase is toegepast in een onderzoek waarbij een werkelijke situatie is nagebootst en beproefd. De opstelling voor deze proef is een betonnen plaat van 4,0 m lang, 4,5 m breed en een dikte van 120 mm. Deze afmetingen geven een goede benadering van bestaande situa- ties. Aan beide zijden van de proefopstelling zijn uitkragingen van 1,5 m gerealiseerd. Hierdoor konden twee proeven worden uitgevoerd: een met een inboordiepte van 2,5 m (hierna proef 1) en een met een diepte van 2,0 m (proef 2). Om het verster - kingssysteem op zijn eigen capaciteit te testen, is de wapening ter plaatse van het maximale steunpuntsmoment doorgeslepen. Er zijn na het uitharden van het beton per proefzijde vier CFRP-bars ingeboord op een hoogte van circa 75 mm. De opstelling is beproefd door vier watercontainers te plaatsen op de uitkraging. Door deze gelijkmatig te vullen, is de belasting stapsgewijs opgebouwd (foto 6). 4 5 beton CFRP-bar epoxy Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015 54 zakking [mm] 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 0 12 345 proef 1 proef 2 6 Proefopstelling 7 Last-zakkingsdiagram proef 1 en 2 na scheuren 8 Waarschuwend vermogen van de constructie CFRP-bar. De minimale trekcapaciteit is echter vastgesteld op 307 kN per CFRP-bar. Gesteld kan worden dat naast het optreden van een zuivere trekkracht ten gevolge van het uitwendige moment in de staaf, ook een intern moment (over de dikte van de staaf ) optreedt. Dit interne moment in de staaf is het gevolg van de kromming die optreedt door de relatief grote doorbuiging van de galerij- plaat vlak voor bezwijken. Het gedrag van het systeem vertoont gelijkenis met het ontstaan van een plastisch rotatiescharnier. Bij een plastisch scharnier in een normaal gewapende betonvloer zal na het bereiken van de vloeigrens een plastisch gebied ontstaan. De Bezwijkbelasting proef 1 De uiteindelijke bezwijkbelasting van proef 1 bedroeg 5,07 kN/m 2. De doorbuiging aan het uiteinde van de galerij bedroeg circa 112 mm. Naast een behoorlijke overcapaciteit ten opzichte van de normbelasting van 2,0 ? 1,5 = 3,00 kN/m 2 die minimaal nodig is, blijkt dat de constructie zeer ductiel reageert. De gale- rijplaat buigt eerst zichtbaar door en vertoont een zichtbare scheur, voordat deze bezwijkt. De constructie 'waarschuwt' hiermee (foto 8). Het zeer plotseling bros bezwijken zoals gebeurde bij de Antillenflat in Leeuwarden, treedt niet op. Bezwijkbelasting proef 2 Proef 2 is overeenkomstig proef 1 uitgevoerd met, zoals eerder aangegeven, enkel het verschil in de inboordiepte. De uitkra- ging van de galerijplaten bedroeg 1,5 m, waarmee de veranke- ring van de staaf in de achterliggende vloerconstructie slechts 0,5 m bedroeg. De bezwijkbelasting van proef 2 was 5,50 kN/m 2, de doorbuiging aan het uiteinde van de galerij circa 86 mm. De optredende doorbuiging bij bezwijken in proef 2 is kleiner dan in proef 1, de belasting daarentegen is hoger. De verschillen leiden niet tot een ander type bezwijkmechanisme tussen proef 1 en 2. Bezwijkmechanisme Met een eigen gewicht van 2,88 kN/m 2 bedraagt het optredende steunpuntsmoment net voor bezwijken bij proef 1 circa 4,5 ? 0,5 ? (5,07 + 2,88) ? 1,5 2 = 40,25 kNm/plaat. Met een arm van 75 mm resulteert dat in een trekkracht van 135 kN per 6 7 Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015 55 Protocol Het Platform Constructieve Veiligheid heeft in opdracht van SBRCURnet een protocol opgesteld, naar aanleiding van het ongeluk in de Antillenflat. Hierin staat hoe de veiligheid van uitkragende galerijplaten moet worden beoordeeld en welke maatregelen moeten worden genomen indien ze niet voldoen. In 2014 is een tweede, herziene versie van dit protocol uitgeko- men, op basis van ervaringen uit de praktijk. Over dit protocol staat elders in deze editie het artikel 'Balkons en galerijplaten: veilig genoeg?'. Dit artikel is ook op Cementonline te raadplegen. lengte van dit plastische gebied L pl is afhankelijk van de ductili- teit van het staal en van de druksterkte van het beton. De toelaatbare plastische rotatie is het product van de kromming ? en de plastische lengte L pl, ?pl = ? pl ? L pl , zie [2]. In figuur 9 is een CFRP-bar na bezwijken doorgezaagd. Hier is duidelijk te zien dat er splijtscheuren onder de CFRP-bar zijn ontstaan. Deze scheuren zijn alleen direct onder de CFRP-bars aangetroffen en zijn het gevolg van de gecombineerde trek- spanningen door deuvelwerking en de hoge schuifspanningen van de CFRP-bar. Hoewel de CFRP-bar zelf geen plastisch gedrag kent, ontstaat er door dit lokaal splijten wel een gebied waarover kromming van de CFRP-bar kan optreden. Hiermee kan het niet-lineaire gedrag van het systeem worden verklaard. Aan de hand van dit mechanisme kan tevens worden gesteld dat bij een toenemende betonsterkte het ontstaan van splijtscheuren pas bij een hogere belasting optreedt. Hiermee zal het gebied waarover de krom- ming kan optreden kleiner zijn en zullen de buigspanningen in de staaf toenemen. De toelaatbare belasting zal daarom afnemen bij een hogere betonsterkte. Op basis van de restcapaciteit van de staafdoorsnede kan worden bepaald welk intern moment in de staaf aanwezig is geweest. Bij een zuivere trekkracht van 135 kN kan een secundair moment in de staaf worden opgenomen van circa 0,301 kNm. Dit secundaire moment is bepaald met de formule M = ? ? W, waarbij de resterende trekcapaciteit als spanning is gekozen. Rekening houdend met de stijfheid en geometrie van de staaf, resulteert dit in een equivalente plastische lengte van circa 62 mm. Die komt redelijk overeen met de in de proef gemeten lengte van 75 mm. Het verschil kan worden verklaard doordat de door de fabrikant opgegeven en in rekening gebrachte elasti- citeitsmodulus lager is dan de gemiddelde waarde. Ter indicatie zijn in figuur 9 de resultaten van een parameter - studie in DIANA weergegeven. Hierin zijn de optredende scheurrekken en drukspanningen te zien. Deze blijken goed overeen te komen met de werkelijke situatie en ondersteunen de onderbouwing van het bezwijkmechanisme. Het betreft een DIANA-model met zeer lage betontreksterkte. Hierdoor kan een horizontale scheur ontstaan en het DIANA- model bezwijkt feitelijk op dwarskracht. Omdat de dwarskracht bij het ontstaan van wijde scheuren geheel door de drukzone moet worden opgenomen, is onderzocht wat het effect is van 8 Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015 56 0 -0,05 -0,1 -0,15 -0,2 -0,25 hoekverdraaiing [rad] 0 20 40 60 80100 120 140160 180 proef 1 proef 2 NEN-EN 1992 klasse c Muttoni Muttoni aangepast max. ankerkracht ankerkracht [kN] 9 Bezwijkmechanisme 10 Rotatie-krachtdiagram proef 1 en 2 na scheuren de rotatie op de dwarskrachtcapaciteit. NEN-EN 1992 geeft in artikel 5.6.3 Rotatiecapaciteit een methode voor het bepalen van de maximaal toelaatbare rotatie. Dit artikel houdt echter geen rekening met de mogelijk ongunstige invloed van de dwarskracht op de rotatiecapaciteit [3]. In figuur 10 is de optredende rotatie van de proefbelasting uitgezet tegen de trekkracht in de CFRP-bar. In het diagram is de toelaatbare rotatie volgens NEN-EN 1992 uitgezet. Tevens is het resultaat van de in [3] voorgestelde vergelijking weerge- geven, waarbij de invloed van de dwarskracht is verdisconteert in de toelaatbare rotatie. Deze vergelijking gaat echter uit van een plastische lengte van 1,93D en er is geen partiële factor in rekening gebracht. Door de vergelijking aan te passen aan een equivalente plastische lengte van 75 mm (zoals deze uit de proeven is gebleken) en een partiële factor van 1,5 wordt een toelaatbare rotatie gevon- den die vergelijkbaar is met de uitkomst die wordt gevonden conform NEN-EN 1992. Gesteld kan worden dat bij een trek- kracht van 75 kN in het anker, bezwijken op dwarskracht kan worden uitgesloten. Gepatenteerde methode Vlak voor het bereiken van de uiterste bezwijkbelasting treedt in de platen een duidelijk zichtbare vervorming op. Daarbij is de scheurwijdte vlak voor bezwijken voldoende zichtbaar. Hierdoor is er een groot waarschuwend vermogen van de versterkte constructie. Bij veel inspecties blijkt dat slechts delen van galerij- en/of balkonplaten niet voldoen. Voor een juiste versterkingsgraad kan, afhankelijk van de spreidingscapaciteit, het systeem ook lokaal worden toegepast. Op basis van het uitgevoerde onderzoek kan worden gesteld dat bij deze versterkingsmethode wordt voldaan aan vooraf gestelde eisen als versterkingsgraad, esthetiek, omgevingshinder en duurzaamheid. De methode is inmiddels gepatenteerd door Vogel B.V. onder de naam VVUV-systeem (Verankeringssys- teem Vogel voor Uitkragende betonnen Vloeren). ? ? LITERATUUR 1 CUR-publicatie 248, Constructieve veiligheid van uitkragende beton- platen. SBRCURnet, tweede, herziene uitgave, oktober 2014. 2 Roosmalen, H.A.Ph., CUR-rapport 108, Plastische scharnieren. Beton- vereniging, Zoetermeer, 1982. 3 Vaz Rodrigues, R., Muttoni, A., Frenández Ruiz, M., Influence of Shear on Rotation Capacity of Reinforced Concrete Members Without Shear Reinforcement. ACI Structural Journal Vol. 105, No. 5 sept.-oct. 2010, pp. 516-525. 9 10 werkelijke situatie scheurrekken drukspanningen Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015