0

publicatie: CUR 163 Vermoeiing van beton

1 Inleiding

1 Inleiding

Inleiding

Inleiding

In de afgelopen jaren zijn op het gebied van vermoeiing van ongewapend beton drie CUR-rapporten [1, 2 en 3] verschenen. In [1] is het gedrag van beton onder een variërende drukspanning beschreven, waarbij sprake was van constante-amplitudeproeven (zie fig. 1), van programmabelastingsproeven (zie fig. 2) en van variabele-amplitudeproeven (zie fig. 3). In [2 en 3] wordt een beschrijving gegeven van wisselbelastingsproeven die trek- en druk-trekspanningen in het beton opwekken.

Fig. 1. Constante-amplitudespanning.
Constant amplitude stress.

Fig. 2. Programma-belasting.
Program loading.

Fig. 3. Variabele-amplitudespanning.
Variable amplitude stress.

De belastingen die in de praktijk voorkomen, hebben over het algemeen een onregelmatiger, grilliger verloop in de tijd. Hierbij kan warden gedacht aan belastingen als gevolg van wind, verkeer, golven, aardbevingen en dergelijke. De door deze belastingen opgewekte spanningen hebben in principe ook een grillig verloop. De algemene term waarmee dit soort spanningen wordt aangeduid, is "random" spanningen. Dit is de Engelse benaming voor toevallig. Het grillige verloop wordt dan ook met behulp van statistische methoden beschreven. In [1] is op basis van het rapport [4] een inleiding gegeven ten aanzien van random spanningen. Samengevat komt dit er op neer dat voor het beschrijven van stationaire random spanningen gebruik kan worden gemaakt van de volgende twee functies:

  • de kansdichtheidsfunctie, die de waarschijnlijkheid beschrijft dat de spanning een bepaalde waarde zal aannemen;
  • het energiedichtheidspectrum, waarmee de energieverdeling over de verschillende frequenties wordt gegeven. In figuur 4 zijn verschillende vormen van random spanningen gegeven, onderscheiden naar het type spectrum; figuur 4a is gebaseerd op een smallebandspectrum, figuur 4b op een dubbelpiekspectrum en figuur 4c op een bredebandspectrum. Hierin zijn respectievelijk een, twee en een groot aantal frequenties te onderscheiden.

Fig. 4. Random spanningen met bijbehorende spectra.
Random stresses and associated spectra.

Met stationaire random spanningen wordt in dit verband bedoeld dat de kansdichtheidsfunctie en het energiedichtheidspectrum tijdens de gehele periode dat de spanning werkt niet veranderen.
In het kader van de eerder uitgevoerde onderzoekingen is een eerste aanzet tot random spanningen gegeven via de genoemde programma-belastings- en variabele-amplitudeproeven. Bij het onderzoek van StuPOC (Stuurgroep Problematiek Offshore Constructies) [4] is onder meer onderzoek verricht met programma-belastingsproeven. Bij het CUR-onderzoek dat in [1] is beschreven, is gebruik gemaakt van variabele-amplitudebelastingen.
In de praktijk voorkomende random belastingen zijn evenwel grilliger. Dit manifesteert zich onder meer in de frequentie van de wisselingen. Bij programma-belastingen en variabele-amplitudebelastingen is de frequentie in het algemeen constant. Bij random belastingen kan de frequentie variëren van min of meer constant (zie fig. 4c) tot sterk variabel (zie fig. 4d).
Voor zover bekend, zijn er tot nu toe nog geen random belastingsproeven op beton uitgevoerd. Dergelijk onderzoek is wel noodzakelijk om inzicht te verwerven in de levensduur, en daarmee samenhangend de veiligheid van wisselend belaste betonconstructies. Dit inzicht moet er uiteindelijk toe leiden dat een betrouwbare procedure tot stand komt voor het dimensioneren van betonconstructies die wisselend warden belast en waarbij vermoeiingsverschijnselen zouden kunnen optreden. Een van de belangrijkste complicaties van een dergelijk onderzoek wordt gevormd door het aspect dat zowel de levensduur als de random belasting in termen van waarschijnlijkheid moeten warden beschreven.
De eerdere onderzoekingen [1, 2 en 5] zijn uitgevoerd aan de hand van centrisch belast beton. Daar in vele gevallen in een betondoorsnede sprake is van buiging (al dan niet in combinatie met een normaalkracht) diende zich de noodzaak aan om ook het vermoeiingsgedrag bij een drukspanningsgradiënt over de doorsnede te bestuderen. In beginsel is het namelijk mogelijk dat tijdens het wisselen een herverdeling van spanningen optreedt, die tot een verlenging van de levensduur zou kunnen leiden.
Het onderhavige rapport is een vervolg op CUR-rapport 112 [1]. Het omvat een beschrijving van het gedrag van beton tegen de achtergrond van de beschadigingsregel van Miner onder invloed van:

  • centrisch variërende drukspanningen ten gevolge van random belastingen;
  • rustperioden ofwel onderbrekingen in de belasting-tijdsrelatie;
  • een drukspanningsgradient over de betondoorsnede ofwe1 excentrische druk.

Het rapport behandelt voorts de invloed van de sterkteklasse, de betonsamenstelling, de ouderdom van het beton op het ogenblik van belasten en de verhardingsomstandigheden "droog" en "onder water" (bij atmosferische omstandigheden).