Innovatieve oplossing voor het naversterken of voorspannen van gewapend beton en staalconstructies

Door de steeds strengere eisen op het vlak van CO2-besparing en recycling wordt in de bouwsector al meerdere jaren ingezet op renovatie en herstel van bouwwerken in plaats van een onmiddellijke sloop en nieuwbouw. Op die manier kan bijvoorbeeld het volume aan benodigd cement gevoelig verminderd worden. Bestaande infrastructuurbouwwerken, zoals bruggen, vertonen op veel plaatsen toch relevante schade en moeten duurzaam versterkt worden. De revolutionaire memory®-steel producten openen nieuwe mogelijkheden voor bouwers en ontwerpers om bestaande staalconstructies en elementen in gewapend beton na te versterken cq voorpanning in aan te brengen.

De constructieve problemen komen veelal voort uit verouderd beton ten gevolge van carbonatatie en corrosie en vermoeiing van de inwendige staalwapening. Schade door ouderdom of een verhoging van de belasting zorgen voor onvoldoende draagvermogen, maar er worden ook steeds vaker herbestemmingsprojecten gepland die door grotere overspanningen aanpassingen aan de structurele onderdelen vereisen.

Voorstelling van de werking van memory®-steel bij het voorspannen en bij het activeren bij een verhinderde terugkeer naar de oorspronkelijke toestand (links), re-plate (midden), re-bar (rechts).

Een op ijzer gebaseerde vormgeheugenlegering is een innovatieve oplossing om bestaande betonconstructies te versterken. De beschikbare producten laten toe om gewapend beton en staalconstructies snel en eenvoudig na te versterken. Daardoor wordt de constructie op een solide manier versterkt, waardoor de levensduur ook aanzienlijk verlengd wordt. De voorspanning kan het ontstaan en het verder doorzetten van scheuren tegengaan en het spanningsniveau van de bestaande wapening verminderen. Bouwwerken krijgen echter niet alleen een langer leven, memory®-steel is ook nog eens volledig recyclebaar en kan na de sloop van een bouwwerk opnieuw als roestvrij staal ingezet worden.

Vormgeheugenlegeringen hebben onder meer de eigenschap dat zij na een permanente vervorming Ɛp,0 na één enkele opwarming naar hun oorspronkelijke toestand terugkeren (curve 1). Als dat verhinderd wordt (curve 2), ontstaat een trekspanning Ɛp,0 in het materiaal, die als voorspankracht in een bouwelement geïntegreerd kan worden. Op deze eigenschap is memory®-steel gebaseerd. In het atelier wordt deze legering eerst in voorgespannen toestand aan het bouwwerk bevestigd en vervolgens wordt de werking door opwarming geactiveerd.

Testen met re-plate uitgevoerd bij het MFPA Leipzig – tijdens het aanbrengen van de brandwerende pleister (links) en het opwarmen van de onderzijde van de plaat (rechts).

De speciale op ijzer gebaseerde vormgeheugenlegering en zijn vele mogelijkheden binnen de bouwsector zijn het resultaat van vele jaren onderzoek door de Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), het ETH Zürich en talrijke internationale onderzoeksinstellingen. De re-fer AG heeft deze ontwikkeling dan in samenwerking met de firma Sika tot een marktrijpe oplossing verder ontwikkeld. (1), (2), (3).

Memory®-steel is onder trekspanning zeer ductiel met een breukrek van meer dan 20%. Door het aandeel chroom van 10% in de legering kan het materiaal op het vlak van corrosieweerstand vergeleken worden met een staalsoort in klasse 1. Op dit moment wordt deze constructieversterking bij gewapend beton in twee varianten ingezet: een extern aangebrachte band (re-plate), die op het uiteinde met nagels vastgemaakt wordt of een staaf uit geribd staal (re-bar), die met een reparatiemortel (cementgebonden) aan het betonnen element bevestigd wordt. Bij de kwaliteitscontrole worden de thermo-mechanische eigenschappen van de productiebatches getest en vindt er een controle plaats van de temperatuur bij verwarming op de bouwplaats. Er bestaat ook testapparatuur om de voorspanning te meten bij elementen die geïntegreerd zijn. 

Voor hoogbouwprojecten wordt vaak gebruik gemaakt van re-plate. Dit product, dat qua afmetingen vergelijkbaar is met CFK-lamellen uit koolstofvezel, heeft een doorsnede van 120 mm x 1,5 mm en wordt in voorgerekte toestand op de bouwplaats geleverd, om vervolgens met nagels van roestvrij staal type X-CR 48 P8 S15 in de betonnen ondergrond vastgemaakt te worden. (4) Daarvoor worden bij de fabriek in de band uit memory®-steel aan beide uiteinden gaten in een standaardpatroon gemaakt. Na het juist positioneren van de band op de bouwplaats dienen die ook als sjabloon om gaten in het betonnen bouwwerk voor te boren. Daarna worden de nagels mechanisch bevestigd. Tot slot wordt de band over de volledige lengte met een gasbrander of een infraroodstraler op een temperatuur tussen de 100°C en 300° C gebracht.

Door middel van een infraroodstraler kan men de temperatuur gericht regelen en op die manier een voorspanning afhankelijk van de temperatuur bereiken. Met een gasbrander werkt men steeds op de hoogste temperatuur, wat ervoor zorgt dat de maximale voorspanning σmax van 380 MPa bereikt wordt. Een beschadiging door oververhitting is met de normale gereedschappen op een bouwplaats niet mogelijk. Deze re-plate vormt een externe trekband zonder binding. (5) Bescherming tegen corrosie is mogelijk met de SikaCor® EG-1 epoxycoating. In veel gevallen wordt re-plate in dergelijke hoogbouwprojecten met CFK-lamellen gecombineerd. Daarbij wordt re-plate gebruikt om bijvoorbeeld het doorbuigen of de breedte van scheuren te reduceren, terwijl de lamellen uit koolstofvezel zorgen voor aanvullende trekkrachten om zo het draagvermogen te optimaliseren.

Een ander voordeel van de re-plate banden is hun gedrag bij een verhoogde temperatuur. De vormgeheugenlegering memory®-steel gedraagt zich op dat vlak zoals conventioneel gewapend beton en dat is merkelijk minder gevoelig voor breuk dan CFK-versterkingen of andere gekleefde oplossingen, die door de lage glasovergangstemperatuur van het epoxyhars extra beschermd moeten worden om problemen bij brand te vermijden. Brandtesten volgens de ETK-curve onder belasting en onderzoeken aan het MFPA Leipzig hebben aangetoond dat met een eenvoudige brandwerende pleister type SikaCem® Pyrocoat van slechts 22 mm de brandwerendheidsklasse R90 (incl. veiligheidsfactor 1.5) gerealiseerd kan worden. (6) Ook na 120 minuten kon geen probleem op het vlak van de versterking vastgesteld worden. De combinatie van memory®-steel met CFK-lamellen is dan ook vaak een effectieve oplossing, waarbij voor de dimensionering in geval van brand enkel met re-plate rekening gehouden moet worden en dus geen dure bescherming voor de CFK-lamellen nodig is.

Voor toepassingen in de bruggenbouw is een versterking met re-bar, de staaf uit geribd staal, zeer efficiënt. Deze versterkingsstaven met een standaard ribbengeometrie kunnen in vooraf gefreesde gleuven geïntegreerd worden of in de reparatiemortel ingewerkt worden. (7) Beide manieren werden tijdens de onderzoeken tot in de kleinste details bekeken en geoptimaliseerd. De versie waarbij de staaf in een gleuf gelegd wordt, is zeer effectief bij uitkragingen met negatieve buigmomenten. De andere manier van versterken werd al veel gebruikt bij toepassingen met positieve buigmomenten in combinatie met een MonoTop® herstelmortel van Sika, maar ook bij toepassingen met negatieve momenten ingewerkt in een SikaGrout® gietmortel. Als de staaf aan de buitenkant aangebracht moet worden, verwijdert men eerst het verouderde beton om vervolgens de staven op de gewenste positie vast te maken. Bij de beide varianten worden in de eerste plaats alleen de uiteinden van de staaf op een vooraf bepaalde lengte met cementmortel aan de draagstructuur bevestigd, waarna die staaf met een gasbrander opgewarmd wordt en de voorspankrachten gerealiseerd worden. Met de herstel- of gietmortel worden de re-bar en de draagstructuur van het bouwwerk daarna over de complete lengte met elkaar verbonden. Zo functioneert de staaf uit geribd staal als voorgespannen trekelement dat pas nadien vastgehecht wordt. Deze re-bar werd ook al in meermaals met succes toegepast in combinatie met boringen en de epoxyharskleefstof AnchorFix® van Sika.

Door de bijkomende voorspanning van de draagstructuren van bestaande bruggen kan de breedte van scheuren aanzienlijk verminderd worden en wordt er ook voor gezorgd dat de scheuren niet groter worden, wat de levensduur van de draagstructuur ten goede komt. De voorgespannen versterking zorgt er ook voor dat de vermoeiingsbelasting bij een bestaande wapening op een lager niveau en een verminderde amplitude gebeurt. Onderzoeken toonden aan dat re-bar als U-vormige beugel ook gebruikt kan worden als versterking bij toepassingen met schuifwapening (dwarskracht problematiek).

Verhoogd draagvermogen bij een plaat uit gewapend beton met brandwerende eigenschappen – Zwitserland

In een parkeergarage moest het draagvermogen van een plaat uit gewapend beton verhoogd worden. Wegens de geringe hoogte van de ruimte en de eisen op het vlak van brandveiligheid werd voor een oplossing met re-plate banden gekozen. In eerste instantie werd de re-plate aan de constructie bevestigd, waarna de voorspanning gerealiseerd werd door het geheel met een gasbrander op te warmen en vervolgens te laten afkoelen. Voor de brandwerendheid werd een brandwerende pleister type SikaCem® Pyrocoat aangebracht. Uitvoerder: Stocker und Partner AG.

Aangezien de wapening in enkele betonnen dragers niet meer in orde was, moest de werking van de kapotte stalen staven type 145/160 die normaal de trekkrachten opnemen, overgenomen worden. Vanwege de hoge eisen op het vlak van stofontwikkeling, stankoverlast en tijdsbeperking, alsmede de lage componentgeometrie en geringe betondekking, werd voor een oplossing met zijdelings aangebrachte re-plate gekozen. Uitvoerder: Laumer Bautechnik GmbH met in-house ingenieursbureau.

Tussen 1950 en 1970 werd een gebogen brug uit natuursteen aan één zijde uitgebreid met een constructie uit gewapend beton. In 2020 werd echter bij de beide dragers van de brug verregaande carbonatatie van het beton en corrosie van de buigwapening vastgesteld. Daarnaast moest ook het draagvermogen aangepast worden om aan de huidige normen te voldoen. Om een robuuste brugconstructie te realiseren en tegelijk de levensduur van het bouwwerk te verlengen, werd een oplossing met re-bar staven in de MonoTop® 412 Eco herstelmortel van Sika gebruikt. Om voorspankrachten van ca. 200 kN in de dragers van de brug te realiseren, werden de eindverankeringspunten met stalen beugels versterkt. Uitvoerder: re-fer AG en marti arc Jura.

Door een toename van de belasting moest het draagvermogen van een uitkragende betonplaat met betrekking tot de negatieve buigmomenten verhoogd worden. Daarnaast moest de bestaande doorbuiging gereduceerd worden en was een goede aansluiting van de aan te brengen versterking met het gebouw noodzakelijk. De versterking gebeurde met behulp van re-bar staven, die met SikaGrout® 312 gietmortel in de voorgefreesde gleuven aangebracht werden. De aansluiting met het bestaande plafond werd gerealiseerd door middel van de epoxyharskleefstof AnchorFix® 3001 van Sika.