Tijdsafhankelijke vervormingen in beton: rede tot onrust?

Dat betonnen balken en bruggen doorbuigen weten de meeste mensen nog wel, maar dat deze doorbuiging toeneemt in de tijd zal voor velen iets nieuws zijn. Deze tijdsafhankelijke vervormingen kunnen enorme schade aanbrengen aan structuren en kunnen er (indirect) ook voor zorgen dat structuren falen en instorten. Het is dus wenselijk om de tijdsafhankelijke vervormingen van beton zo accuraat mogelijk te beschrijven. Er is onderzocht of de meest courant gebruikte modellen hier ook werkelijk in slagen en er kon geconcludeerd worden dat dit niet altijd het geval is.

Beton is alomtegenwoordig in het straatbeeld; gaande van de funderingen van het nieuwe huis verderop in je straat tot de bruggen in het nieuwe A11 snelwegtraject. Wanneer beton belast wordt, zal het net zoals alle andere materialen vervormen. Een betonnen brug kan bijvoorbeeld meerdere centimeters doorbuigen onder alleen zijn eigen gewicht. Deze doorbuiging zie je echter vaak niet door de grote overspanning van bruggen. Wat zijn immers een paar centimeter in vergelijking met ettelijke meters?

Tijdsafhankelijke vervormingen, say what?!

Wat veel mensen niet weten, is dat de vervormingen in beton toenemen in de tijd. Een betonnen brug zal dus meerdere centimeters doorbuigen onder zijn eigen gewicht en deze doorbuiging zal over de loop der jaren ongeveer verdubbelen. Dit fenomeen is te wijten aan het krimpen en kruipen van beton. Krimpen doet het beton door water, dat een van de ingrediënten is van beton, af te geven aan de lucht. Dit gebeurt zelfs wanneer het beton geen gewicht draagt. Kruip treedt daarentegen enkel maar op wanneer het beton wel een belasting draagt. Het exacte mechanisme dat kruip veroorzaakt houdt wetenschappers al meer dan een eeuw bezig. Tot nu toe weten ze nog altijd niet exact wat de kruip van beton veroorzaakt.

En vind je die tijdsafhankelijke vervormingen ook in het echt terug of is dat iets van in het labo?

Een mooi voorbeeld van krimp- en kruipvervormingen vind je bij de Burj Khalifa. Deze wolkenkrabber staat in Dubai en is het hoogste gebouw ter wereld. Bij de opening bedroeg zijn hoogte 829,8 m. Ondertussen is hij al 40 cm “gekrompen”. Het feit dat hij gekrompen is zie je natuurlijk niet en ook de structurele veiligheid is er niet door in het gedrang gekomen. Het heeft de ingenieurs bij het ontwerp echter heel wat kopzorgen bezorgt. Zo weten liften niet dat je gebouw verkleind en moeten zij dus kunnen worden bijgesteld. Een ander voorbeeld zijn de vele pijpen en kokers die in het gebouw zitten. Deze behouden hun oorspronkelijke lengte terwijl de betonnen muren en kolommen waar ze in verwerkt zijn verkorten. Gelukkig hebben wetenschappers verschillende modellen ontwikkeld om de krimp- en kruipvervormingen in te schatten.

CC Wikimedia

Wanneer de kruip verkeerd ingeschat wordt, kan dit desastreuze gevolgen hebben. Een bekend voorbeeld is het plotse instorten van de voormalige Koror‑Babeldaob brug in Palau (Micronesië). Door de instorting verloren twee mensen het leven en viel een heel eiland zonder drinkwater en elektriciteit. De brug had door kruip, na 18 jaar van dienst, een doorbuiging bereikt van meer dan anderhalve meter. Dit was 20% meer dan geschat was door modellen. Door de grote doorbuiging was het gevoel van veiligheid en comfort bij de vele mensen die de brug dagelijks moesten gebruiken ver te zoeken. Twee ingenieursbureaus namen daarom de stabiliteit van de brug onder de loep. Zij kwamen tot de conclusie dat de brug structureel nog steeds in orde was. Om het gevoel van veiligheid bij de gebruikers echter te herstellen werden reparatie- en verstevigingswerken verricht. Deze werden niet optimaal uitgevoerd wat leidde tot het uiteindelijke instorten van de brug.

CC Wikimedia 

Hoe nauwkeurig kan dit alles berekend worden?

Het falen van de Koror‑Babeldaob brug heeft ons geleerd dat de modellen het krimp- en kruipgedrag van beton niet altijd nauwkeurig genoeg kunnen voorspellen. Alle modellen die beschikbaar zijn, zijn nochtans ontwikkeld met behulp van uitgebreide datasets. Deze datasets bestaan bijna echter uitsluitend uit informatie verkregen uit het testen van kleine proefstukjes. Dit doet de vraag rijzen of deze modellen wel kunnen gebruikt worden om de krimp- en kruipvervormingen van grote balken te voorspellen. Temeer ook omdat de datasets worden gedomineerd door testen van korte duur (minder dan een half jaar), terwijl het geweten is dat kruip een fenomeen is van lange duur.

Van 1967 tot 1985 werd er door zes Belgische universiteiten, waaronder de UGent, een unieke dataset opgebouwd. Zij testten betonnen balken gedurende twee tot vier jaar en bestudeerden de tijdsafhankelijke vervormingen.

De dataset die de zes universiteiten opbouwden werd gebruikt om de nauwkeurigheid van de huidige, meest courante modellen te testen. Dit gebeurde door een in-house ontwikkelde tool te gebruiken. Deze tool had het grote voordeel dat resultaten snel geanalyseerd konden worden, zonder veel nauwkeurigheid te verliezen in vergelijking met eindige elementenberekeningen.

Wat kan er geconcludeerd worden? Gaan er dingen instorten?!

Nee, uit de analyse is gebleken dat de tijdsafhankelijke vervormingen van balken die normaal belast worden vrij accuraat voorspeld kunnen worden. Voor balken die hogere belastingen moeten weerstaan is er enige voorzichtigheid geboden. Onderschattingen tot wel 20% zijn voor hoger belaste balken zeker geen uitzondering. De basismodellen kunnen echter worden uitgebreid om de hogere belastinggraad in rekening te brengen, wat de nauwkeurigheidsgraad opmerkelijk verbetert.

Ook bij balken die te snel worden belast na fabricatie zijn de voorspellingen van de modellen niet nauwkeurig genoeg. Beton heeft enige tijd nodig om zijn sterkte te ontwikkelen. Vergelijk het bijvoorbeeld met klei die tijd nodig heeft om uit te harden. Meestal heeft beton 28 dagen nodig om zijn volledige sterkte te bereiken. Worden balken vroeger belast dan hebben de modellen het moeilijk om de sterkte van de balken in te schatten. Er is dus een update nodig van de reeds bestaande modellen om het gedrag van jonge balken exacter te beschrijven, zeker in de hedendaagse maatschappij waar alles steeds beter en sneller moet gaan.