STRUCTURELE VERSTERKING VAN BETONCONSTRUCTIES 1

1 Dr. ir. Stijn Matthys, Laboratorium Magnel voor Betononderzoek, Vakgroep BouwkundigeConstructies, Universiteit Gent

2 Dr. ir. Kris Brosens, Triconsult N.V., Halen

STRUCTURELE VERSTERKING VAN BETONCONSTRUCTIES

Stijn Matthys1 en Kris Brosens2

Op grond van sociale en economische belangen wordt vereist dat de hedendaagse bouwkundigeinfrastructuur (o.a. bruggen, wegen, utiliteitsbouw) betrouwbaar en functioneel is. Echter,veranderingen in de functie en de intensiteit van het gebruik, beschadigingen, enz., noodzaken naastonderhoud en herstelling dikwijls ook versterking. Het belang van geoptimaliseerdeversterkingstechnieken is dan ook groot. In het artikel worden een aantal aspecten toegelicht inzakehet versterken van betonconstructies en wordt nader ingegaan op de techniek van uitwendig gelijmdewapening. Deze efficiënte techniek kent de laatste jaren internationaal een zeer sterke opgang dank zijde introductie van uitwendig gelijmde vezelcomposietwapening, bijkomend aan de klassieke techniekvan gelijmde staalplaten [1].

1 Inleiding

1.1 Noodzaak van structurele versterking

In de meeste geïndustrialiseerde landen is de hedendaagse bouwkundige infrastructuur(bruggen, wegen, utiliteitsbouw, enz.) in zeer belangrijke mate uitgebouwd. Het onderhouden,herstellen en versterken van structurele elementen is dan ook van groot belang en brengtjaarlijks belangrijke investeringen met zich mee. De noodzaak om bestaande constructies teherstellen en versterken bestaat met name vanwege diverse redenen.! Verandering in functie en gebruik: het aanbrengen van openingen (vb. voor het plaatsen

van leidingen en liftkokers), herbestemming van lokalen, toenemende belasting enfrequentie van gebruik, enz. Een typisch probleem is de overbelasting van structuren tengevolge van de in realiteit soms veel hogere aslasten van vrachtwagens dan de in hetontwerp voorzien.

! Uitwendige beschadiging door mechanische invloeden: impact-belasting, explosie,sleet, heien van palen dicht bij bestaande gebouwen, bronbemaling, aardbeving, enz.Dikwijls doen bepaalde van deze fenomenen zich plots voor en kan de schade enormzijn.

! Uitwendige of inwendige beschadiging door omgevingsinvloeden: corrosie vanwapening, vriesschade, alkali-silica-reactie, inwerking van agressieve reagentia,brandschade, enz.

! Onvoorziene beschadiging door menselijke fouten (vb. doorboren van wapening ofvoorspanwapening bij het aanbrengen van signalisatie).

! Veranderingen in normen en ontwerprichtlijnen waardoor structurele elementen nietlanger de beoogde veiligheidsmarges bezitten conform deze nieuwe normen.

! Fouten bij het ontwerp (foutieve detaillering, conceptiefouten en berekeningsfouten) ofde uitvoering. Deze resulteren bijvoorbeeld in een foutieve hoeveelheid en positie van

KVIV Studiedag “Beton duurzaam herstellen” - Structurele versterking van betonconstructies - 2/15

Fig. 1 - Oorzaken die aanleiding kunnen geven tot de versterking met gelijmde wapening

de wapeningen. Meestal blijven deze fouten verstopt omdat in de berekeningenbelangrijke veiligheidsfactoren ingerekend worden. Aldus bevat een dergelijk elementniet de voorziene veiligheid, ook al is dit uitwendig meestal niet merkbaar. Tevensworden lokale piekspanningen afgebouwd door de ductiliteit van de materialen.

Bij al de schadegevallen die hierboven vermeld werden, is een herstelling met behulp vanuitwendig gelijmde wapeningen mogelijk en dikwijls zelfs aangewezen [2,3]. Deverschillende oorzaken voor het gebruik van uitwendig gelijmde wapeningen worden nogeens samengevat in figuur 1. Er worden drie verschillende groepen van oorzaken aangeduid:! Oorzaken die te maken hebben met het ontwerp of met de uitvoering! Oorzaken die te maken hebben met eisen gesteld door de gebruikers! Oorzaken tengevolge van externe invloeden

1.2 Versterkingstechnieken voor betonconstructies

Voor het versterken van structurele betonelementen kunnen een aantal verschillendetechnieken aangewend worden [4] naargelang de specifieke situatie en de aard van deconstructie. Deze technieken kunnen in de volgende groepen opgedeeld worden.

1. Wijziging van de doorsnede:! Toepassing van spuitbeton of opgegoten betonzones.! Vervangen en/of toevoegen van wapening binnen de oorspronkelijke

betondoorsnede of in een extra betonlaag.! Aanwending van uitwendig gelijmde wapening.! Aanwending van geprefabriceerde gewapende of voorgespannen betonelementen.


VOORAFGAANDEHERSTELLINGEN

Verwijder slechte betonzones, verifieer onvolkomenheden en potentiëleschademechanismen, enz. Voorzie gepaste herstellingen.

BETON Ruw zetten oppervlak (vb. zandstralen).Verifieer de oneffenheid en vlak uit indien nodig.Oppervlak stofvrij en droog maken.

OPPERVLAKTE-VOORBEREIDING

Staal/FRP Zandstralen staal / indien gespecificeerd licht opschurenFRP oppervlak. Reinigen van het oppervlak (vet- &stofvrij), enz. Dikwijls wordt FRP ‘gebruiksklaar’ geleverd.

PREFAB(staal/FRP)

Aanwenden epoxy op het beton.Aanwenden epoxy op het wapening (dakvormig).Verlijming (overtollige epoxy komt vrij).

AANBRENGENUITWENDIGE

WAPENINGWET

LAY-UP(FRP)

Aanbrengen epoxy op het beton (undercoating)Inrollen (verlijming en impregnatie) van vezelcomposiet.Verdere impregnatie (overcoating).

AFWERKING Schilderen, bezetten, enz. (vb. esthetische redenen en brandveiligheid).

KWALITEITSCONTROLE (voorafgaand, tijdens en na de aanwending)

2. Voorspanning; veelal onder de vorm van uitwendige voorspanning met na-gerektewapening.

3. Verandering van het draagsysteem: door middel van opgelegde vervormingen (vb.tussensteunpuntsverlaging van een hyperstatische balk), inbouwen van eensupplementaire draagstructuur, schoren van raamwerken, enz.

4. Stabilistatie: injectie, grondankers, enz.

De versterking met uitwendig gelijmde wapening wordt verder toegelicht in de volgendeparagraaf. Deze techniek die veelvuldig toegepast wordt vanwege zijn efficiëntie, betreftoorspronkelijk gelijmde staalwapening. Als alternatief wordt nu ook met groot commercieelsucces gelijmde vezelcomposietwapening (FRP: fibre reinforced polymer) toegepast.

2 Uitwendig gelijmde wapening

2.1 Techniek en toepassingsmogelijkheden

Deze versterkingstechniek bestaat erin dat bijkomende wapening wordt aangebracht aan eenbestaande constructie met het doel hetzij de draagkracht ervan te herstellen of te verhogen,hetzij om aan bepaalde eisen in verband met de gebruikstoestand te voldoen. De wapeningwordt uitwendig aan de betonconstructie bevestigd door middel van een structurele verlijming(indien nodig kunnen bijkomende mechanische verankeringen voorzien worden). Degangbaar aangewende basistechniek bestaat in de manuele toepassing van de wapening,waarbij de aanhechting wordt verwezenlijkt door middel van de polymerisatie van eentwee-componenten lijm (meestal epoxy) die kan uitharden bij omgevingstemperatuur. Eenoverzicht van de basistechniek is weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1 - Aanwending van gelijmde wapening


Fig. 2 - Ombouw van fabriek tot cultureel centrum (Sigtay Ninove, 1994)

Fig. 3 - Versterking van de Tannberg brug (Oostenrijk)

De uitwendige wapening kan, zeker wat betreft de lichte vezelcomposietwapening, met groteeenvoud verlijmd worden op o.a. beton, staal, hout en baksteen. Deze techniek wordt dan ookaangewend bij het versterken van balken, platen, wanden en kolommen van o.a. bruggen engebouwen. Toepassing is echter ook mogelijk in andere gevallen zoals bijvoorbeeld hetomrijgen van schoorstenen of het versterken van schalen en tunnelgewelven.

Figuur 2 toont een beeld van de versterkingen met gelijmde staalplaten bij de ombouw vaneen fabriek tot cultureel centrum. Figuur 3 geeft een voorbeeld van een versterking metgelijmde koolstofvezelcomposietwapening voor de versterking van een brug.


2.2 Materialen en systemen voor gelijmde wapening

Aanvankelijk werden er enkel stalen platen gebruikt, verlijmd met een twee-componentenepoxylijm. De laatste jaren is er, mede door de ontwikkeling van nieuwe hoogwaardigematerialen onder andere in de luchtvaartindustrie, onderzoek gedaan naar het gebruik vanalternatieve materialen voor betonversterking. Ook in België werd hieromtrent innoverendonderzoek verricht [2,3,5]. Uit deze onderzoeken bleek dat FRP of vezelcomposietmaterialen(voornamelijk op basis van koolstofvezels) uitermate geschikt zijn voor betonversterking. Deaangewende vezelcomposiet- of FRP wapeningen zijn opgebouwd uit sterke, dunne, continuevezels van niet-metallische aard ingebed in een matrix (harsbinder, vulstoffen en additieven).Voor de vezels wordt veelal uitgegaan van koolstofvezels, aramidevezels en glasvezels. Menspreekt respectievelijk van CFRP, AFRP en GFRP. Deze vezelcomposieten hebben een zeerhoge treksterkte, zijn corrosie-ongevoelig en hebben een vergelijkbare E-modulus met staal.Bovendien is hun soortelijke massa ongeveer vijfmaal kleiner dan deze van staal. Inzakeopgelijmde wapening onderscheidt men in hoofdzaak de zogenaamde 'prefab' (staalplaten ofreeds uitgeharde FRP strippen) en 'wet lay-up' (in situ impregnatie en uitharding van FRP)types, weergegeven in figuur 4. Een vergelijking van het spanning-rek gedrag van FRP enstaal is gegeven in figuur 5. Een overzicht van de belangrijkste eigenschappen en enkeletypische kenmerken van 'prefab' en 'wet lay-up' systemen is gegeven in Tabel 2.Naast de gangbaar aangewende basistechniek (de manuele verlijming bij omgevings-temperatuur, Tabel 1), bestaan er voornamelijk met betrekking tot de verlijming vanvezelcomposieten ook diverse specifieke systemen en technieken, zoals o.a. gerobotiseerdomwikkelen van kolommen en schoorstenen, het gebruik van prefab FRP schalen incombinatie met expansieve mortel, het gebruik van prepreg (pre-impregnated) FRP dat kanuitharden met behulp van verwarmingselementen of infra-rood straling, enz.

Fig. 4 - ‘Prefab’ (links) en ‘wet lay-up’ (rechts) types voor gelijmde wapening


PREFAB (PRE-CURED) WET LAY-UP (IN-SITU CURING)Vorm Staalplaten of FRP strippen/ laminaten FRP vellen en weefselsDikte Ongeveer 1.0 tot 1.5 mm Ongeveer 0.1 tot 0.5 mmLijm Thixotrope lijm voor

de aanhechtingLijm met lage viscositeit voor de

impregnatie en aanhechtingFRP vezelvol. Ongeveer 70 % Ongeveer 30 % (na impregnatie)Aanwending Eenvoudige verlijming van de

geprefabriceerde elementenVerlijming en impregnatie van de FRP

(vormgeving in-situ)Toepasbaarheid Indien niet voorgevormd enkel

voor vlakke oppervlaktesOngeacht de vorm, hoekendienen afgerond te worden

Aantal lagen Meestal 1 laag,meerdere lagen mogelijk

Meestal meerdere lagen

Oppervlakteoneffenheid

De prefab elementen en de thixotropelijm laten een zeker oneffenheid toe

Dikwijls is een uitvlakmortel nodigi.v.m. onthechting door oneffenheden

Eenvoud ingebruik

Eenvoudig toepasbaar, beterkwaliteitsgarantie (prefab systeem)

Zeer flexibel in gebruik, meernoodzaak aan kwaliteitscontrole

Kwaliteits-controle

Verkeerde toepassing of slechte uitvoering = verlies aan composietwerkingtussen de uitwendige wapening en de betonconstructie, gebrekkige

lange-duur integriteit van het systeem, enz.

0

500

1000

1500

2000

2500

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0Rek [%]

Span

ning

[N/m

m²]

CFRP

Stalen plaat

AFRP

GFRP

Tabel 2 - Typische kenmerken van uitwendig gelijmde wapening

2.3 Gelijmde wapening: staal of vezelcomposieten?

Oorspronkelijk gebaseerd op gelijmde staalplaten, wordt de techniek van uitwendig gelijmdewapening commercieel sedert de jaren 90 ook met vezelcomposietwapening toegepast. Zoalsmag blijken uit onderstaand overzicht van de voor- en nadelen van gelijmdevezelcomposietwapening t.o.v. staalplaten, bieden deze een aantrekkelijk alternatief en latenzij een ruimere toepassing toe van deze versterkingstechniek. De meest aangewezenmateriaalkeuze hangt echter sterk af van de concrete situatie van de uit te voeren versterking.

Fig. 5 - Spanning-rek gedrag (A: aramide, C: koolstof, G: glas)


Voordelen van vezelcomposieten (FRP):! Staalplaten dienen beschermd te worden tegen corrosie. Evenwel ontstaat dikwijls na

verloop van tijd corrosie op het verlijmde staaloppervlak waardoor decomposietwerking tussen de staalplaat en de betonconstructie in het gedrang komt. FRPmaterialen daarentegen bezitten een goede corrosieweerstand.

! Door hun gewicht kunnen staalplaten enkel in beperkte lengten aangewend worden(maximaal 6 à 10 m) en zijn ze moeilijk verhandelbaar. Bij grotere lengten zijn voegen,die een delicaat punt in het ontwerp en de uitvoering vormen, noodzakelijk. Bovendienis dikwijls een zware stelling nodig wat bv. onderdoorgaand verkeer onmogelijk maakten een belangrijke meerkost met zich meebrengt. De quasi in onbeperkte lengtenbeschikbare FRP laminaten daarentegen zijn bijzonder licht en flexibel in gebruik.

! FRP materialen (voornamelijk CFRP) gedragen zich zeer goed onder wisselendebelasting.

! Ook voorgespannen FRP wapening kan verlijmd worden. Hierdoor kunnen aanwezigetrekspanningen, scheuropeningen en doorbuigingen gereduceerd worden. Deze techniekis echter nog deels in een experimenteel stadium.

! De aanwending van FRP wapening is, meer nog dan deze van staalplaten, ook vanuitesthetisch oogpunt aantrekkelijk. Hun geringe dikte heeft nagenoeg geen invloed op devrije hoogte en na overschilderen zijn ze bijna niet meer te onderscheiden. Hetaanbrengen van extra afwerkingslagen (bepleistering, spuitbeton, enz.) is bovendienmogelijk.

Nadelen van vezelcomposieten:! Staalplaten zijn veel goedkoper dan vezelcomposieten wat betreft de materiaalkostprijs.

Echter, gezien de grotere eenvoud van toepassing van vezelcomposieten wordt dehogere materiaalkost van vezelcomposieten dikwijls ruim gecompenseerd door de winstin arbeidskost of snellere heringebruikname.

! De lage transversale sterkte, wat maakt dat FRP elementen soms meer gevoelig zijnvoor impact of vandalisme en wat mechanische verankering iets complexer maakt.

! Bepaalde duurzaamheidsproblemen die mogelijk kunnen optreden voor sommige typesFRP. Echter, globaal beschouwd bezitten FRP materialen en CFRP in het bijzonder eenzeer hoge duurzaamheid en zijn ze in elk geval niet corrosie-gevoelig.

! In het geval het ontwerp bepaald wordt door de hoeveelheid stijfheid die toegebrachtdient te worden aan de constructie, kan de hoge sterkte van de vezelcomposietenmeestal niet benut worden (tenzij men kan werken met voorgespannenvezelcomposietwapening of indien de hefboomsarm tussen gelijmde wapening en debetondrukzone verhoogd wordt).

2.4 Kwaliteitscontrole

Een goede werking van een uitwendige gelijmde wapening is enkel mogelijk indien degelijmde verbinding werd uitgevoerd volgens de regels van de kunst. Indien dit niet het geval,kan de hechting onvoldoende zijn en de gelijmde wapening haar nut verliezen. Daarom is hetzeer belangrijk dat de uitvoerende aannemer voldoende ervaring heeft in het herstellen vanbetonstructuren en in het uitvoeren van gelijmde verbindingen. Ook moeten de gebruiktematerialen van goede kwaliteit zijn en dienen de gepaste oppervlaktevoorbereidingentoegepast te worden. De compatibiliteit en het hechtvermogen van de verschillendeepoxysystemen moet aangetoond zijn. De verwerkingsvoorwaarden zoals opgegeven door de


fabrikanten moeten strikt nageleefd worden. Vooral de omgevingstemperatuur en de relatievevochtigheid spelen een grote rol bij de uitharding en het hechtvermogen van de verschillendeepoxysystemen.

2.4 Ontwerp

In vergelijking met het ontwerp van nieuwe betonconstructies, is dat van betonconstructiesversterkt met uitwendig gelijmde wapening meer gecompliceerd. Om te beginnen, moet debestaande toestand en het draagvermogen van de te versterken constructie nagegaan engeverifieerd worden. Oorzaken van gebreken moeten gekend zijn (zo zal bijvoorbeeld decorrosie van wapening veelal niet gestopt worden door de versterking met gelijmdewapening) en de nodige herstellingen moeten voorzien worden.In het ontwerp van de uitwendige wapening worden de diverse bezwijk- engebruikgrensstoestanden die kunnen optreden geverifieerd [2]. Hierbij wordt ook rekeninggehouden met de initiële toestand van de (herstelde) constructie, tijdens aan het aanbrengenvan de versterking. Bijkomend dienen eventueel een aantal bijzondere ontwerpaspecten (zoalsbrand, impact, vandalisme, enz.) en de accidentele ontwerptoestand nagegaan te worden. Indeze laatste ontwerptoestand, wordt het accidenteel verlies van de uitwendige wapeningverondersteld, wat overeenstemt met een onversterkte constructie onderworpen aan debelastingen van de versterkte constructie. Deze ontwerptoestand gaat de bezwijkgrens naindien geen of gereduceerde veiligheidscoëfficiënten toegepast worden.

2.4.1 OpvattingHet wordt soms gesuggereerd dat de uitwendig gelijmde wapening enkel als zogenaamdesecundaire wapening moet dienen, zodat bij accidenteel verlies van deze wapening deconstructie niet (volledig) bezwijkt. Indien aan deze accidentele ontwerptoestand wordtvoldaan is de veiligheid het grootst en dient veelal minder aandacht besteed te worden aan debijzondere ontwerpaspecten zoals brand en impact. Dit betekent echter ook dat de maximaleversterkingsfactor gelimiteerd wordt, terwijl reeds voldoende aangetoond werd dat uitwendiggelijmde wapening ook als volwaardige wapening kan aangewend worden. In dit geval dientechter extra aandacht besteed te worden aan de bijzondere ontwerpaspecten.In elk geval wordt het ontwerp dusdanig opgevat dat het bezwijken van de versterkteconstructie dient voorafgegaan te worden door voldoende grote vervorming, welke bekomenworden na het vloeien van de inwendige (en eventueel de uitwendige staal-) wapening.Alternatief kan ook uitgegaan worden van de zeer grote veiligheid tussen degebruiksbelasting en de weerstandbiedende belasting die voornamelijk voorvezelcomposietwapening-versterkingen bekomen wordt.Voor meer details over het ontwerp van gelijmde wapening voor de versterking in buiging, indwarskracht of wringing en inzake het omwikkelen van kolommen, wordt verwezen naar[2,3,6].

2.4.2 Composietwerking tussen gelijmde wapening en het betonelementDe goede werking van deze versterkingstechniek is in hoofdzaak gebaseerd op decomposietwerking die (via de verlijming en eventuele bijkomende verankeringen)gerealiseerd wordt tussen de gelijmde wapening en het beton. Indien dehechtschuifspanningen in het contactvlak tussen het beton en de gelijmde wapening eenkritieke waarde overschrijden, dan treedt onthechting op. Aangezien de sterkte van de lijmen


die normaal aangewend worden, zal deze onthechtingsbreuk zich voordoen in het beton en isde kritieke schuifspanning gerelateerd tot de treksterkte van het beton.Oorzaken van onthechting en de bijhorende bezwijkvormen kunnen als volgt beschouwdworden (Fig. 6):! Lage uitvoeringskwaliteit. De toelaatbare hechtsterkte kan in belangrijke mate afnemen

door een onvoldoende kwaliteit van de uitvoering (bijvoorbeeld door een onvoldoendeoppervlakte voorbereiding, afpelwerking t.g.v. oneffenheden, enz.). Dezeonthechtingsvormen kunnen vermeden worden door een goede uitvoering en de nodigekwaliteitscontrole op de uitvoering.

Fig. 6 - Hechtschuifspanningen en onthechtingsbreuk


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200

lengte (mm)

breedte 80, 1 laagbreedte 80, 2 lagenbreedte 80, 3 lagenModel breedte 80, 1 laagModel breedte 80, 2 lagenModel breedte 80, 3 lagen

! Verankeringszone. Startend van het vrij uiteinde dient de kracht in de gelijmdewapening opgebouwd te worden. Hierbij treden er in deze verankeringszonespanningconcentraties op. Bij aanwezigheid van een dwarskrachtscheur, diepreferentieel ontstaat aan het uiteinde van de gelijmde wapening kan een zogenaamde'concrete rip-off' breuk ontstaan (onthechtingsvlak lokaliseert zich ter plaatse van deinwendige wapening).

! Krachtsoverdracht. T.g.v. de composietwerking tussen het beton en de gelijmdewapening treden er hechtspanningen op in het contactvlak. Deze zijn evenredig met devariatie van de kracht langsheen zijn lengte.

! Scheuroverbrugging. Ter plaatse van scheuren ontstaan eveneens extrahechtspanningen. Onderscheid kan gemaakt worden tussen buig- endwarskrachtscheuren. In het laatste geval wordt ook een vertikale verplaatsing van descheurvlakken bekomen, welke een rechtstreekse en zeer nadelige afpelwerking metzich meebrengt.

2.4.3 Berekening van de verankeringEen zeer belangrijk punt bij het ontwerpen van uitwendige wapening is het dimensionerenvan de verankering. Het voortijdige falen van een verstevigde structuur wordt immers vaakveroorzaakt door het afpellen van de uitwendige wapening aan de uiteinden. Aan het uiteinde,waar de kracht van het beton naar de uitwendige wapening overgedragen wordt, doen zichnamelijk hoge schuifspanningsconcentraties voor. De lengte waarover deze krachtsoverdrachtgebeurt, wordt de verankeringslengte genoemd. Met een niet lineair breukmechanisch model,dat steunt op een bilineair schuifspanning-slip verband, kan een minimale verankeringslengteberekend worden. Figuur 7 geeft de maximaal overdraagbare kracht in functie van deverbindingslengte. In de figuur wordt het model vergeleken met de resultaten bekomen uitproeven. Er werd een goede overeenkomst gevonden tussen het model en de realiteit.

Fig. 7 - Vergelijking van de ankerlengte: model versus experimenten


Fig. 8 - Eindverankering met bout (Supercity, Leuven, 1996)

De verankeringslengte moet aan beide zijden van de uitwendige wapening bijgevoegd wordenteneinde de krachtsoverdracht te verzekeren. Indien dit niet mogelijk is, moet er gezorgdworden voor een bijkomende verankering. Voor uitwendig gelijmde stalen platen kan ditgedaan worden door aan het uiteinde van de plaat een aantal bouten te voorzien (Fig. 8). Bijuitwendig gelijmde vezelcomposietwapening kan slechts gebout worden indien laminaten metvezels in meerdere richtingen gebruikt worden. Voor unidirectionelevezelcomposietwapening kan bijvoorbeeld gewerkt worden met een laterale U-vormigeomwikkeling in de eindzone.Nochtans is het aan te raden om steeds een extra verankering te voorzien zelfs al is dat striktgenomen niet nodig. Hierdoor wordt een grotere veiligheid en robuustheid ingebouwd.

2.5 Ontwerprichtlijnen

De introductie van nieuwe materialen en daarmee verbonden technieken noodzaaktaangepaste ontwerprichtlijnen. Dit aspect maakt een belangrijk deel uit van de uitgevoerdeonderzoeksprojecten inzake FRP wapening. In dit verband zijn internationaal eveneensdiverse werkgroepen actief. Bij wijze van voorbeeld kan fib (Fédération International duBéton) Task Group 9.3 "FRP Reinforcement for Concrete Structures" vermeld worden [7].Naar aanleiding van de werkzaamheden van deze werkgroep werd een rapport "Externallybonded FRP reinforcement for RC structures - Technical report on the design and use ofexternally bonded fibre reinforced polymer reinforcement (FRP EBR) for reinforced concretestructures" in oktober 2001 gepubliceerd [6].

2.6 Enkele toepassingsvoorbeelden

Internationaal werden reeds duizenden toepassingen uitgevoerd met gelijmde wapening (metzowel staal als vezelcomposieten). Het betreft sterk variërende projecten met toepassing vangelijmde wapening in hoeveelheden gaande van enkele meters tot enkele kilometers. Bijwijze van voorbeeld worden hier 4 projecten kort toegelicht.


Kattenbusch brug in DuitslandDe versterking van deze brug, uitgevoerd in 1987, betreft vermoedelijk de eerste toepassingvan uitwendig gelijmde vezelcomposietwapening [1]. Het betreft een kokerbrug met eentotale lengte van 478 m, bestaande uit 9 overspanningen van 45 m en 2 eindoverspanningenvan 36.5 m. Ter plaatse van een van de constructievoegen werden 20 GFRP strippen(dimensies 3200 mm x 150 mm x 30 mm) aangebracht.

Versterking van het dak van een zwembadIn 1997 werd de betonnen dakplaat van het gemeentelijk zwembad te Kalmthout, België,gerenoveerd met uitwendig gelijmde CFRP laminaten. De dikte van de betonplaat bedroeg110 mm en de betonplaat had een oppervlakte van 675 m2. Door de geringe betondekking ende jarenlange blootstelling aan een warme, vochtig zwembadatmosfeer met hogechloorconcentraties, was de inwendige wapening op vele plaatsen volledig weggeroest en debetondekking afgedrukt.Door de opdrachtgever werd opgelegd dat de herstellingen tijdens de jaarlijkse zomersluitingmoesten uitgevoerd worden. Door de korte uitvoeringstermijn en de beperkte structureleingrepen was een oplossing met uitwendig gelijmde wapening dan ook het meestaangewezen. Er werd besloten om de inwendige, beschadigde staalwapening te verwijderenen te vervangen door uitwendig gelijmde CFRP laminaten. Het voordeel van deze CFRPlaminaten is dat zij ongevoelig zijn voor corrosie in de agressieve zwembadomgeving.Hierdoor is een dure oppervlaktebehandeling niet nodig.De CFRP laminaten werden aangebracht in twee of drie lagen met een breedte van 250 mmen een tussenafstand variërend tussen 350 en 700 mm (Fig 9). De volledigeuitvoeringstermijn bedroeg ongeveer 6 weken.

Hybride versterking van een ribbenvloerIn 1998 werd een voormalig schoolgebouw te Leuven, België, omgebouwd totstadsbibliotheek, waardoor de belasting op de vloerplaten aanzienlijk verhoogde van 3 kN/m2

tot 6 kN/m2. Enkele vloerplaten moesten hiervoor versterkt worden en dit zowel tegenbuiging als tegen dwarskracht. Het betreft ribbenvloeren met een tussenafstand van 550 mmtussen de ribben. De dikte van de vloerplaat bedraagt 50 mm.Voor de uiteindelijke versterking van de ribbenvloer werd gekozen voor een hybrideversterking (Fig. 10). De versterking tegen buiging werd gerealiseerd met een gelijmdestaalplaat aan de onderkant van de ribben zodat ook de bijkomende doorbuigingen beperkt

Fig. 9 - CFRP versterking (links) en eindresultaat na aanbrengen verlaagd plafond (rechts)


blijven. De versterking tegen dwarskracht gebeurde door het aanbrengen van twee lagenCFRP laminaten op slechts één zijde van de ribben. Hierbij zijn de vezels van de eerste laagverticaal geöriënteerd en deze van de tweede laag horizontaal. Tot slot werden er aan deuiteinden van de staalplaat een beugel in CFRP en twee bouten als mechanische verankeringvoorzien teneinde voortijdig falen door delaminatie of door plaateinde-afschuifbreuk tevermijden. Door deze hybride versterking worden beide materialen zo optimaal mogelijkgebruikt en was een snelle en economische versterking mogelijk. Deze opvatting van deherstelling werd eerst proefondervindelijk onderzocht [3].

Reptielengebouw Zoo AntwerpenEen vloerconstructie van 340 m² (bestaande uit een rooster van balken met bovengelegenplaat) in zeer slechte staat werd in 2000 hersteld en versterkt (Fig. 11). Hierbij diende deoriginele gebruiksbelasting van 5 kN/m² verhoogd te worden tot 15 kN/m² om de plaatsingvan een nieuw aquarium mogelijk te maken. Er werd geopteerd voor de techniek van gelijmdevezelcomposietwapening. Op deze wijze kon de uitvoeringstermijn sterk beperkt worden, konde versterkingsinterventie met maximaal respect voor het geklasseerd gebouw uit 1880-1910gebeuren en was er slechts een beperkte verstoring van de activiteiten in het gebouw (dedieren dienden niet verplaatst te worden en het reptielengebouw bleef toegankelijk voorbezoekers). Verdrievoudiging van de gebruiksbelasting door het verlijmen vankoolstofvezelwapening op de onderzijde van de balken bleek echter niet mogelijk, daar dedrukzone van het beton de toegenomen spanningen niet zou weerstaan met verbrijzeling vanhet beton tot gevolg. Bijgevolg diende uitgegaan te worden van CFRP/balsa houtenelementen, waarbij een grotere hefboomsarm tussen de uitwendige koolstofvezelwapening ende drukzone van het beton gerealiseerd werd en aldus materiaalspanningen en doorbuigingensterk beperkt konden worden. Dit innovatief systeem, bestaande uit CFRP strippen metvariabele dikte, multidirectionele vezels om boutverankeringen toe te laten en een balsahouten afstandhouder, werd voorafgaandelijk experimenteel onderzocht [8].

Fig. 10 - Hybride versterking van een ribbenvloer


Fig. 11 - Vloerplaat voor (links) en na (rechts) versterking (Zoo Antwerpen)

3 Besluiten

Het versterken van betonconstructies is van groot belang. Hiervoor komen diverse techniekenin aanmerking, waaronder uitwendig gelijmde wapening. Het gebruik van deze laatstetechniek is efficiënt en economisch aantrekkelijk, vanwege de flexibiliteit en eenvoud vantoepassing.Gelijmde vezelcomposietwapening als alternatief voor gelijmde staalplaten, geïntroduceerd inde jaren 90, biedt een aantal voordelen en laat een ruimere toepassing toe van dezeversterkingstechniek. De meest aangewezen materiaalkeuze hangt echter af van de concretesituatie en vergt een voldoende ingenieursinzicht in deze techniek.Belangrijke ervaring en kennis op het gebied van gelijmde wapening is in België voorhanden.Ontwerprichtlijnen op internationaal niveau komen meer en meer ter beschikking.

4 Referenties

1. Meier U., Deuring M., Meier H. and Schwegler G. (1993), FRP Bonded Sheets, inFiber-Reinforced-Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures: Properties andApplications, Elsevier, 423-434.

2. S. Matthys (2000), Constructief gedrag en ontwerp van betonconstructies versterkt metuitwendig gelijmde vezelcomposietwapening - Structural Behaviour and Design ofConcrete Members Strengthened with Externally Bonded FRP Reinforcement,Doctoraatsproefschrift, Universiteit Gent, Faculteit Toegepaste Wetenschappen,Vakgroep Bouwkundig Constructies, Gent, Belgium, 345 pp.

3. Brosens K. (2001), Anchorage of externally bonded steel plates and CFRP laminatesfor the strengthening of concrete structures, Doctoraatsproefschrift, K.U.Leuven,Belgium, 225 pp.

4. FIP (1991), Repair and strengthening of concrete structures, Fédération Internationalede la Précontrainte, FIP Guide to good practice, Thomas Telford, London, 37 pp.

5. BVSM (2000), Betonversterking met uitwendig gelijmde wapening: staal en kunststof,Colloquium, Leuven, Belgium, Belgische Vereniging tot Studie, Beproeving enGebruik der Materialen (BVSM), 130 pp.


6. fib (2001), Externally bonded FRP reinforcement for RC structures, Technical Reporton the Design and Use of Externally Bonded FRP Reinforcement (FRP EBR) forReinforced Concrete Structures, fib Bulletin 14, fib Task Group 9.3, working partyEBR, International Federation for Structural Concrete, Lausanne, Switzerland.

7. fib Task Group 9.3. (2001), FRP Reinforcement for Concrete Structures, InternationalFederation for Structural Concrete, Commission 9, Task Group 9.3,http://allserv.rug.ac.be/~smatthys/fibTG9.3.

8. S. Matthys, H. Blontrock (April 2000), "Experimenteel onderzoek op eenversterkingssysteem met vezelcomposietmaterialen", Bouwkroniek, 7 April 2000, pp.26-30.

Documents

STRUCTURELE VERSTERKING VAN BETONCONSTRUCTIES 1