PRIJS
€ 8,00
ONDERZOEKSRAPPORT M43003
ONTWII
COB - CENTRUM Het
Centrum
Ondergronds
ondergronds bijdrage tussen
bouwen
een
mogelijke
mogelijkheden
Bouwen
te maken
ievert aan aile
van
ONDERGRONDS wil
als kennisnetwerk
heelt. Vanuit
mooi,
leelbaar
partijen
die
het bouwen
en slagvaardig
een
onder
de grond.
de
ondersteuning
ondergronds
van
bedrijlsleven,
de
expertise.
COB
Het
deelnemers
leerstoel
aan
de
aan
overheid maakt
dat
deel
01
Naast
internationale
uitwisselingen
onderzoeksprogramma
ECON
uit van
met met
bouwen
Zeeland.
de
andere
en werkt
COB
samen
in
met
het
stemt
zijn activiteiten
en
SKB.
Daarnaast
Association
al met
heelt
(JTA)
initiatielnemer
en
uit het
krachten
het
COB
stimuleert van
het
en
andere een het
nieuwe
Deilt Cluster.
NA 2003
In 2003
loopt de tweede
onderzoeksperiode
van
het COB
al. In nauw
participanten is een businessplan opgesteld voor de periode 2004-2007. aangepaste programmeerwijze en aanbod
zal worden
netwerk, vormen
ruimte'
de
voorgesteld waarbij een grote nadruk op alstemming tussen vraag
speerpunten, voortgekomen
uit een brede consultatievan het
het uitgangspunt voor de programmering
speerpunten bieden een focus voar de programmering jaren: 'Samenwerken
overleg met
Hierin wordt ook een
gelegd.
De in het businessplan genoemde COB
het lectoraat
hun
en
is
onder meer
organisaties
COB
en
onderzoeken,
Dellt en
honderd
de dialoog
belemmeringen van
met
en essentieie
en onderwijs, de TU
dan
is mede
alles wat
het COB
van
uitvoeren
aan
Meer
Tunneling
landen.
nauw
stimuleert
bundelen
Habilorum Japan
zijn voor
ruimtegebruik
kennismanagement
het CUR.NET
CUR,
oor
verkenning
het (mede)
kennisinstituten
zoals
Understanding
bij de
ondergronds
Hogeschooi
alsmede
netwerk,
Memorandum
COB
een
ruimtegebruik
en
ondergrond
Nederland,
rol spelen
hetCOB actief op het gebied van communicatie, door
oog
de visie dan
BOUWEN
van onderzoeksprojecten. De
en doen recht aan de visie van de komende
aan het verantwoord ontwikkelen, bouwen en beheren van ondergrondse
TNO-rapport 1999-CMC-R 008
Ontwikkeling van een beplatingsrobot voor brandwerende bekleding van boortunneIs; haalbaarheid van het bevestigingsmiddel
TNO Bouw
Datum
februari 1999 Auteur(s)
Contactpersoon
J.J. Uwland Centrum voor Mechanische Constructies Schoemakerstraat 97 Postbus 49 2600
i
AA Delft
Telefoon 015 269 53 60 Fax 015 269 53 61
Aile rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk. fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Aigemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO. dan wet de betreffende terzake tussen de partljen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan.
@
!~
P.E. Hovenga J.J. Uwland
Opdrachtgever
CUR/COB Biichnerweg 1 Postbus 420 2800 AK Gouda
Gezien
COB M430 fase IIa 82365203 R.P.W.J. Kloek R.P.W.J. Kloek
Aantal pagina's
30
Projectnaam Projectnummer Goedgekeurd
t,(~ ~
1999 TNO
TNO Bouw verricht onderzoek en geeft advies over bouw. vraagstukken. voomamelijk in opdracht van onder meer de overheid. grote en kleine ondememingen in de bouw. toeleveringsbedrijven en branche-instellingen.
Nederlandse Organisatie voor toegepastnatuurwetenschappelijk onderzoekTNO
TNO-rapport
2 van 30
1999-CMC-ROOB
Inhoud 1.Inleiding 1.1Bet bevestigingsmiddelen de randvoorwaarden. 1.2Belastingenop de verbindingenin de brandwerendeplaten. 2. Experimenteel onderzoek aan verbindingen in brandwerende platen 2.1 Statisch beproeven van een bout in een plaat. Bepaling uitdruksterkte.
,
en aanbevelingen
...
"'"''''''''''''''''''''''''''
ll .11
2.1.1 Beschrijving statische proeven 2.1.2 Resultaten van de statische proeven 2.2 Dynamisch beproeven van bouten in een plaat 2.2.1 Beschrijving dynamische proeven 2.2.2 Resultaten van de dynamische proeven 2.3 Bespreking van de resultaten 3. Conclusies
3 3 9
''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
4. Appendix 4.1 Bepalen van optimale plaats voor de bouten in de plaat 4.2 afschatten van de dynamische belasting 4.3 afschatten van de eigenfrequenties
..11 14 19 19 21 24 26
28 28 29 29
TNO-rapport
3 van 30
1999-CMC-R008
1.
Inleiding
In opdracht van CUR/COB is door TNO Bouw onderzoek gedaan naar de haalbaarheid van het bevestigingsmiddel voor het aanbrengen van brandwerende bekleding van boortunnels. Dit onderzoek is het vervolg op fase I van de ontwikkeling van de beplatingsrobot In fase I zijn de functionele specificatie en het plan van aanpak voor de ontwikkeling van de beplatingsrobot onderzocht (Heemskerk). Dit is noodzakelijk voor verdere onderzoek naar de robot In dit deel van het onderzoek naar de haalbaarheid van de beplatingsrobot wordt gekeken naar het bevestigingsmiddel voor het aanbrengen van de brandwerende bekleding van boortunnels.
1.1
De randvoorwaarden
voor het bevestigingsmiddel.
Optimalisatie van het proces De montage van de platen kan semi handmatig worden gedaan door eerst raggels tegen de segmenten te plaatsen en daama de platen tegen de raggels. Dit houdt in dat extra handelingen worden uitgevoerd. Het monteren van de platen kan ook uitgevoerd worden met een geautomatiseerde machine. V oor het montageproces is de volgorde van het bevestigen van de platen van belang. Het aantal stappen dat moet worden uitgevoerd tijdens een montagecyclus dient zo min mogelijk te zijn om een hoge werksnelheid te verkrijgen. Tevens dient het aantal handelingen met de plaat geminimaliseerd te worden zodat de maatnauwkeurigheid dan eenvoudiger gerealiseerd kan worden. Dit houdt in dat de plaat het liefst in een keer op de goede plaats wordt gepositioneerd en daama vastgezet wordt aan de tunnel wand. De randvoorwaarde
is het bevestigingsmiddel
in een arbeidsgang
monteren.
De platen lopen door over de randen van de tiibbingen De plaatsing van de betonnen tiibbingen van de tunnel waar de platen tegenaan komen is zodanig dat tussen de platen en het beton een ruimte kan optreden van maximaal 20mm. Om geen zichtbare sprongen of rare knikken in het verloop van de brandwerende platen te zien moeten de platen goed to.V. elkaar aansluiten en op een nette manier in de tunnel bevestigd worden. De randvoorwaarde is een afstand tussen de brandwerende van 0 tot 20mm welke traploos instelbaar moet zijn.
plaat en de tunnel wand
TNO-rapport
4 van 30
1999-CMC-R008
Plaat zo dicht mogelijk tegen de tunnel wand De montageruimte voor de brandwerende platen is beperkt tot 50mm vanaf de tunnel wand. De platen zelf hebben een gemiddelde dikte van 27mm. Door de ronding van de tunnel wand en de nauwkeurigheid van de plaatsing van de tiibbingen houden we ter plaatse van de bevestigingspunten een afstand over van minder dan 23mm. Door deze beperkte ruimte tussen de plaat en de tunnelwand is het niet mogelijk om gereedschap te gebruiken om onderdelen tussen de plaat en tunnelwand te monteren. De randvoorwaarde
is het bevestigingsmiddel
vanaf een zijde monteren.
Samenvatting Uit het bovenstaande kan voor de bevestiging van de platen tegen de tunnel wand de volgende randvoorwaarden of criteria worden samengevat: het bevestigingsrniddel moet in een arbeidsgang te monteren zijn
..
de afstand tussen de brandwerende plaat en de tunnel wand moet traploos instelbaar zijn van 0 tot 20mm het bevestigingsmiddel moet vanaf een zijde te monteren zijn
.
Verder kunnen voor het bevestigingsmiddel de volgende wensen worden opgesteld: . de afstand tussen de plaat en het beton moet eenvoudig in stand worden gehouden door het bevestigingsmiddel.
..
de platen worden nominaal zo dicht mogelijk tegen de wand gemonteerd.
aan de buitenzijde van de plaat een ring of een grote kop voor extra veiligheid.
1.2
Keuze van het bevestigingsmiddel.
Bevestiging van de brandwerende plaat De plaat kan op een aantal manieren bevestigd worden aan de tunnel wand. De principes worden weergegeven in Tabel 1. In deze tabel is ook aangegeven of de manier van bevestigen voldoet aan de criteria. Methode c) de borst aan beide zijden valt af doordat een deel vanaf de achterzijde gemonteerd wordt en methode d) de borst met spreidanker valt af doordat het spreidanker te veel ruimte nodig heeft aan de achterzijde van de plaat. Methode b) De borst aan de buitenzijde is alleen mogelijk met een manier van afstand houden tussen de plaat en de tunnel wand die de beweging van de plaat naar de tunnel wand tegen houdt. Methode a) De schroefdraad kan vanaf een zijde in de plaat geschroefd worden. Door de gevormde schroefdraad wordt de plaat op zijn plaats gehouden.
TNO-rapport
5 van 30
1999-CMC-R008
Tabell
methoden voor bevestiging
van de brandwerende
opmerkingen
methode a) schroefdraad
.
.
.
b) borst buitenzijde
. .
c) borst aan beide zijden
d) borst en spreidanker
plaat
_mjJ
. . .
. .
toepasbaarheid
montage vanaf een voldoet aan critezijde na plaat belastbaar naar en van de tunnelwand
montage vanaf
voorzijde plaat belastbaar van tunnel wand af plaat niet belastbaar naar tunnel wand toe
voldoet aan criteria indien belasting naar de tunnelwand toe opgevangen wordt
montage vanaf beide voldoet niet aan zijden criteria door plaat belastbaar naar montage aan achterzijde en van de tunnelwand
montage vanaf de voorzijde plaat belastbaar naar
en van de tunnelwand achter de plaat ruimte nodig voor montage van spreidanker
voldoet niet aan criteria door benodigde ruimte aan achterzijde
Afstand tussen de brandwerende plaat en de tunnel wand De afstand tussen de plaat en de tunnel wand dient nominaal zo klein mogeIijk te zijn, maar kan op plaatsen oplopen tot 20mm door de onnauwkeurigheid van de plaatsing van de tunnelsegmenten. De afstand tussen de plaat en de tunnel wand kan op verschillende manieren worden overbrugd. Deze zijn in Tabel 2 weergegeven. De meest bekende is het werken met raggels (methode I». De raggels worden eerst tegen de tunnel wand bevestigd waarop vervolgens de platen worden geschroefd.
TNO-rapport
1999-CMC-R008
6 van 30
Doordat de ruimte tussen plaat en tunnelwand nominaal klein is zuBen de raggels nominaal erg dun zijn waarin niet meer geschroefd kan worden. De raggels dienen bovendien ter plaatse op de juiste dikte te worden gemaakt. Door deze werkwijze zijn meerdere arbeidsgangen nodig waardoor deze methode niet voldoet aan de uitgangspunten. Een andere methode is methode II) het gebruik maken van afstandbussen of blokjes. Deze kunnen dan van te voren tegen de plaat of tegen de tunnelwand worden gemonteerd door plakken of over het anker schuiven. Hierdoor ontstaan dan meerdere arbeidsgangen. De dikte van de afstandbussen dienen per locatie ter plaatse te worden bepaald. Door de nominale kleine afstand tussen de plaat en tunnelwand is het niet mogelijk om de afstandbussen met een speciaal stuk gereedschap op hun plaats te houden zodat in een arbeidsgang de plaat gemonteerd kan worden. De makkelijkste methode om de afstand tussen de plaat en de tunnel wand te realiseren is methode III) namelijk gebruik maken van het bevestigingsmiddel zelf. Dit houdt in dat het bevestigingsmiddel in staat moet zijn de plaat op afstand vast te houden.
Tabel2
methoden voor op afstand houden van brandwerende
methode I) raggels
opmerkingen
.
.
II) afstandbussen
.
toepasbaarheid voldoet niet aan criteria door dikte van de raggels meerdere arbeidsgangen en op de moet van te voren bekend zijn meeste gedeelten te dunne raggels vooraf monteren tegen wand
voor monteren
voldoet niet aan criteria door dikte van de bussen meerdere arbeidsgangen en gebrek moet van te voren bekend zijn aan ruimte voor speciaal gereedschap tegen plaat of wand
.
III) geen (gebruik maken van schroeD
plaat tegen tunnelwand
.
.
geen voorbewervoldoet aan criteking na afstand tussen plaat en wand in te stellen door bevestigingsmiddel
TNO-rapport
7 van 30
1999-CMC-ROOB
De bevestiging in de tunnel wand De bevestiging in de tunnel wand zal altijd geschieden vanaf een zijde. Een aantal mogelijkheden worden in Tabel 3 weergegeven. Om een arbeidsgang te realiseren is het nodig dat de bevestiging door de plaat heen in de tunnel wand wordt gemonteerd. Methode A) Losse pluggen en methode C) chemische ankers voldoen dan niet aan de uitgangspunten omdat deze eerst in het gat geplaatst worden en vervolgens wordt de schroef of draadstang er in gedraaid. Bij de chemische ankers telt de uithardtijd mee in de procestijd omdat tijdens het uitharden de plaat in de juiste positie gehouden moet worden. Methode B) ankers en D) schroeven kunnen in een arbeidsgang worden gemonteerd en zijn traploos in diepte in te stellen.
Tabel3
methoden voor bevestiging
in het beton (de tunnelwand)
methode A) pluggen
toepasbaarheid voldoet niet aan criteria door meerdere arbeidsgangen
B) ankers
.
C) chemische ankers
.
.
anker in gat plaatsen voldoet aan crite-
vervolgensanker aandraaien
ria
patroon in het gat plaatsen vervolgens draadstang in gat draaien tijd nodig voor uitharden
voldoet niet aan criteria door meerdere arbeidsgangen en uithardingstijd
TNO-rapport
8 van 30
1999-CMC-R008
.
D) schroeven
schroef in beton
draaien
voldoet aan critena
Keuze van de methode voor bevestigen Uit het bovenstaande kan geconcludeerd worden dat voor het bevestigen in een arbeidsgang van de brandwerende platen tegen de tunnel wand de volgende twee methoden bruikbaar zijn. . Methode 1 is de combinatie van schroefdraad in de pla.at, geen aparte afstand-
.
houder en schroeven in de tunnelwand (methode a), III) en D)). Methode 2 is de combinatie van schroeven in de plaat , geen aparte afstandhouder en een anker in de tunnel wand (methode a), III) en B)).
Hieronder volgen de twee methoden met de volgorde van monteren in de tunnel.
Methode 1: De platen monteren met speciale schroeven. Volgorde van montage: 1. plaat positioneren 2. gaten boren in plaat en beton 3. gaten schoon zuigen of blazen 4. schroeven indraaien door de plaat en in het beton. De schroef bestaat als basis uit een kozijnschroef waarbij het deel onder de kop dat in de plaat blijft is voorzien van een schroefdraad met een grotere buitendiameter. Dit om een betere houvast te hebben in de plaat. V oordelen van deze schroef zijn: een enkel onderdeel, met eenvoudig gereedschap in de plaat en het beton te schroeven en na het schroeven is de verbinding klaar. Nadeel van dit systeem: de schroef moet gelijk in het beton draaien zonder eerst een stuk over het beton heen te glijden. Gebeurd dit wel dan kan de plaat naar buiten gedrukt worden of de schroef kan de plaat stuk draaien.
Methode 2: De platen monteren met schroefankers. Volgorde van montage: 1. plaat positioneren 2. gaten boren in plaat en beton 3. gaten schoon zuigen of blazen 4. schroefankers in de plaat draaien 5. ankers aandraaien zodat deze klemmen in het beton
TNO-rapport
9 van 30
1999-CMC-R008
Voorlopig gaan we uit van methode 1 "de speciale schroer' voor het bevestigen van de platen. Het idee hierachter is dat de schroef in een keer in de plaat en het beton geschroefd wordt. De schroef wordt zover in de plaat geschroefd dat de ring onder de kop van de schroef tegen de plaat komt. De schroef ziet er als voIgt uit: . het uiteinde is voorzien van schroefdraad welke in het beton komt. Lengte ongeveer 30mm . een deel zonder schroefdraad om de maximale spleet te kunnen overbruggen, 20mm . schroefdraad tot aan de kop van de schroef voor bevestiging van de plaat, 27mm . kop met een grote ring am deze speciale schroeven toe te kunnen passen zal eerst nog moeten worden onderzocht of de verbinding de belastingen kan doorgeven van de plaat naar het beton zonder te bezwijken of schade aan de plaat aan te richten. V oor het onderzoek is het van belang de belastingen die op deze verbinding kan komen te kennen of althans een orde grootte van de belastingen die te verwachten zijn.
1.3
Belastingen op de verbindingen in de brandwerende platen.
De verbindingen in de platen worden voomamelijk belast door het eigengewicht van de platen en de luchtdrukpulsen op de platen veroorzaakt door het verkeer. In het artikel "Unsteady airflows in rapid transit systems" van Prof. A.E. Vardy uit 1980 worden de resultaten gepresenteerd van drukmetingen uitgevoerd in de ondergrondse van London. De drukken zijn op verschillende locaties in de tunnel gemeten en bij verschillende snelheden van de metro. De maximaal gemeten druk is lkPa die afhankelijk van de locatie een pulsduur heeft van ongeveer 2 of 1Os. Hiema voIgt een onderdruk over een langere tijd.
Uit het bovengenoemde artikel en de verkregen informatie van TNO Bouw divisie BBI is duidelijk geworden dat de belasting ten gevolge van de luchtdrukpulsen afhankelijk is van een groot aantal factoren. De luchtdrukpulsen veroorzaakt door het verkeer zijn onder andere afhankelijk van: . de doorsnede van de tunnel. . de lengte van de tunnel. . het aantal ventilatie openingen, de lokatie en grootte van de ventilatie openingen. de wrijvingsweerstanden van de tunnel wand en de voertuigen. de opstakels en gaten waardoor de luchtdrukgolven weerkaatsen. . de grootte (doorsnede en lengte) van de voertuigen die passeren. Deze bepaald o.a. de tijdsduur van de drukpuls.
..
TNO-rapport
10 van 30
1999-CMC-R008
. de snelheid van de voertuigen. Deze bepaald de tijdsduur en de amplitude van de drukpuls. De amplitude is ongeveer kwadratisch evenredig met de snelheid van de voertuigen. . de locatie in de tunnel (begin, midden of einde). TNO Bouw divisie BBI heeft een demo-programma beschikbaar gesteld waarin luchtsnelheden en drukken in de spoortunnel bij Schiphol berekend worden. Bet programma geeft de mogelijkheid om verschillende treinsnelheden op te geven en de mogelijkheid om te varieren met de ventilatieopeningen in de tunnel. Het programma laat o.a. het verloop van de statische drukken zien op diverse locaties in de tunnel als er een trein doorheen rijdt. In figuur 1 is het verloop weergegeven. We zien hier het verloop van de statische drukken op diverse locaties in de tunnel als gevolg van het voorbij rijden van een trein met een snelheid van 120km/h. De maximale waarden van de drukken is ongeveer 300Pa.
JJO
...~
250 [~r~.
r'a 20J
150
~oo
50
.:C\j
0
Figuur
1 voorbeeld
120km/h)
van statische drukken in een tunnel (snelheid van de trein is
TNO-rapport
11 van 30
1999-CMC-R008
2.
Experimenteel onderzoek aan verbindingen in brandwerende platen.
2.1
Statisch beproeven van een bout in een plaat. Bepaling uitdruksterkte.
Doel van de statische proeven is het inzicht krijgen in de orde grootte van de toelaatbare belasting voor het uitdrukken van een schroef uit de plaat. De proeven laten ook het gedrag van bezwijken zien.
2.1.1 Beschrijving statische proeven Voor de statische proeven is een simpele opstelling gemaakt waarbij 'dood gewicht' gebruikt wordt voor het aanbrengen van de belasting. De proeven zijn uitgevoerd bij kamertemperatuur en met droge platen van 20 en 27mm.
lOk .. ,
: i: : i'
:i:
20kg 20kg Houtdraadbout
PROMATECT-H plaat
Figuur 2 schematische
opstelling
voor statische proeven
Een bout is in een stuk plaat gedraaid totdat een volle draadgang aan de andere zijde uit de plaat steekt. De plaat is op 2 hoekprofielen gelegd welke op 120mm afstand van elkaar liggen. Zie figuur 2. Op de boutkop is via een draadstang het dood gewicht als belasting geplaatst in stappen van 10kg totdat de verbinding bezwijkt.
TNO-rapport
12 van 30
1999-CMC-R008
Het
dood gewicht bestaat uit vierkante stalen schijven met een massa van 20kg per
stuk en een blok van lOkg. AIle hebben in het midden een gat. De schijven worden over de draadstang geplaatst tot aan de ring en de moer.
De proeven zijn uitgevoerd op houtdraadbouten 8, 10 en 12mm met verkleinde kemdiameters (foto I), M6 bout met een ring van 030xl, RVS-betonschroeven (foto 2) en een Promat huls (foto 3).
Foto J 8mm houtdraadschroefmet
verkleinde kerndiameter
TNO-rapport
1999-CMC-R008
13 van 30
Foto 2 RVS betonschroef
Foto 3 Promat huls
TNO-rapport
14 van 30
1999-CMC-R008
2.1.2
Resultaten
van de statische proeven
Tabel 4 geeft een overzicht van de bezwijkbelasting voor de verschillende typen verbindingen. De equivalente statische druk geldt voor een plaat van 0,6m2 en bevestigd met 4 bouten. Bij alle proeven wordt opgemerkt dat de massa er enige seconden op stond alvorens de verbinding bezweek.
Tabel4 bezwijkbelastingen voor verschillende typen verbindingen
Type verbinding
8mm houtdraadbout 10mm houtdraadbout 12mm houtdraadbout M6 + ring 030x 1 7mm RVS betonschroef Promat huls
plaat dikte
gat diameter
bezwijkbelasting
mm 20 27 20 27 20 20 27 25 27 25
mm 5,5 5,5 6 6 6,5 6,5 6,5 5 5 14,5
kg 70 170 70 140 70 190 >260 130 150 100
equivalente statische druk Pa 1650 4000 1650 3300 1650 4470 >6120 3060 3530 2350
De 8mm houtdraadbout heeft van de schroeven bij een plaatdikte van 27mm de grootste bezwijkbelasting. Ter vergelijking is een M6 bout met een carrosseriering getest. Promat heeft dergelijke verbindingen laten beproeven bij het Institut fur Baustoffe, Massivbau und Brandschutz te Braunschweig- De platen zijn bij deze proeven tegen balken geschroefd. Het bezwijkgedrag is bij alle schroefverbindingen in principe gelijk. Het bovenste deel van de plaat wordt langs de buitendiameter van de schroefdraad afgeschoven. Het onderste deel heeft de vorm van een dubbele kegel en laat gelaagde breukvlak-
ken zien. De grootte van de kegel wordt bepaald door de reststerkte van de plaat. De ring laat een ander bezwijkmechanisme zien. De ring wordt in de plaat gedrukt waarbij de plaat net buiten de ring bezwijkt en in een kegelvorm naar de andere zijde doorloopt. De foto's 4 t/m 12laten de bezweken platen zien van de verschillende bouten.
TNO-rapport
15 van 30
1999-CMC-R008
Foto 4 plaat
na bezwijken
Foto 5 8mm houtdraadbout
verbinding
met 8mm houtdraadbout
plus delen van de plaat
TNO-rapport
16 van 30
1999-CMC-R008
,.
,e;,
.h~
Foto 6 JOmm houtdraadbout
,.
}
Foto 7 12mm houtdraadbout
.
TNO-rapport
17 van 30
1999-CMC-ROOB
"""""-'
Foto 8 M6 bout
Foto 9 bezwijking
met ring
van de plaat onder de ring met M6 bout
TNO-rapport
18 van 30
1999-CMC-R008
Foto 10 RVS betonschroef
Foto 11 Promat huls
TNO-rapport
19 van 30
1999-CMC-R008
Foto 12 Promat huls
2.2
Dynamisch beproeven van bouten in een plaat.
Naar aanleiding van de resultaten verkregen uit de statische proeven is voorgesteld om de verbinding dynamisch te beproeven. Mede omdat de platen voomamelijk een dynamische belasting te verduren krijgen. Doel van deze proeven is inzicht krijgen in het gedrag van de dynamisch belaste schroefverbinding in de plaat.
2.2.1 Beschrijving dynamische proeven De dynamische proeven zijn op een shaker uitgevoerd. Een plaat is met vier bevestigingen op de tafel van de shaker gemonteerd (zie foto 13). De plaat ligt in het horizontale vlak en de tafel van de shaker wordt verticaal bewogen om de belasting op de verb in ding te zetten. De shaker versneld de tafel volgens een bepaald patroon en geeft hiermee de verbinding een gedwongen verplaatsing op. Door de eigen massa en traagheid van de plaat wordt de belasting op de verb in ding gerealiseerd. De plaat voor de dynamische proeven heeft de volgende afmetingen: LBD 1OOOx600x27,8mm.
=
TNO-rapport
20 van 30
1999-CMC-R008
De
plaat heeft een massa van 15.1kg zodat dit een dichtheid oplevert van p =
905kg/m3.
Foto 13 opstelling
op de shaker
Foto 14 boren in Promatect-H plaat
TNO-rapport
21 van 30
1999-CMC-R008
Foto 15 monteren van RVS betonschroeven
2.2.2
Resultaten van de dynamische proeven
De eerste proef: een plaat met vier lOmm houtdraadbouten kerndiameter. De bouten zitten op een steek van 600x360mm.
. . .. .
met verkleinde
De plaat met de verbindingen hebben de volgende testen doorlopen:
.
.
.. .
sweep van 4Hz tot 60Hz met een maximale versnelling van O,5g. sweep van 4Hz tot 100Hz met een maximale versnelling van O,5g. gedurende een uur belast met een sinusvormige versnelling van O,5g bij een frequentie van 58.3Hz.
sweep van 4Hz tot 100Hz met een maximale versnelling van O,5g. 10 keer schokken met een maximale versnelling van 2g bij een pulsbreedte van 40ms. 10 keer schokken met een maximale versnelling van 4g bij een pulsbreedte
van
40ms. 10 keer schokken met een maximale versnelling van 6g bij een pulsbreedte van 30ms. sweep van 4Hz tot 100Hz met een maximale versnelling van O,5g.
sweep van 30Hz tot 100Hz en terug met een maximale versnelling van 19. sweep van 30Hz tot 100Hz en terug met een maximale versnelling van 6g.
TNO-rapport
, 999-CMC-R008
22 van 30
Bij de laatste opgaande sweep bezweek een verbinding waama de verbinding er diagonaal tegenover het ook begaf. De plaat was op de buitendiameter van de schroefdraad afgeschoven. Later bleek ook dat de plaat in het midden over de he Ie breedte een breuk vertoonde. Dit geeft aan dat de plaat al aan het bezwijken was voordat de verbinding bezweek. Op foto 16 is het gat van een bezweken verbinding te zien en op foto 17 zijn de bouten te zien. De gevonden eigenfrequentie bij de sweeps is constant rond de 58,3Hz. Een versnelling van 0,5g geeft bij deze opstelling een quasi-statische kracht van 18,5N op een bout. Deze belasting komt overeen met een druk van 123Pa. De versnellingen van 2, 4 en 6g komen resp. overeen met quasi-statische drukken van 494, 988 en 1481Pa.
Tweede proef: plaat met RVS betonschroeven.
De volgende belastingen hebben op de plaat met de RVS betonschroeven gestaan: . sweep van 30Hz tot 100Hz en terug met een maximale versnelling van 0,5g. . 10 keer schokken met een maximaIe versnelling van 2g bij een pulsbreedte van 40ms. . 10 keer schokken met een maximale versnelling van 4g bij een pulsbreedte van 40ms. . 10 keer schokken met een maximale versnelling van 6g bij een pulsbreedte van 30ms. sweep van 30Hz tot 100Hz en terug met een maximale versnelling van 0,5g.
.
Na deze proeven was nog geen schade aan de verbindingen
aanwezig.
TNO-rapport
23 van 30
1999-CMC-R008
i'
~
\
*-1:
.
"'II>.
"~!$i
4&
Foto
16 gat na shaker proeven
Foto 17 lOmm houtdraadbouten
van de lOmm houtdraadbout
na shaker proeven
TNO-rapport
24 van 30
1999-CMC-ROOB
2.3
Bespreking van de resultaten
Het bezwijkgedrag bij de statische proeven is bij aIle schroefverbindingen in principe gelijk. Het bovenste deel van de plaat wordt langs de buitendiameter van de schroefdraad afgeschoven. Het onderste deel heeft de vorm van een dubbele kegel en laat gelaagde breukvlakken zien. De grootte van de kegel wordt bepaald door de reststerkte van de plaat. Deze bezwijkvorm is weergegeven in figuur 5, afbeelding 1. De ring laat een ander bezwijkmechanisme zien. Deze is te zien in figuur 5 afbeelding 2. De ring wordt in de plaat gedrukt waarbij de plaat net buiten de ring bezwijkt en in een kegelvorm naar de andere zijde doorloopt. Het bezwijkgedrag bij de dynamische proef is het bezwijken van de plaat langs de buitendiameter van de schroefdraad (zie figuur 5 afbeelding 3). Dit treedt eerst op bij een bout en vervolgens bij de bout diagonaal tegenover de eerste bezweken bout. Na de dynamische proeven van de eerste plaat bleek deze een breuk te hebben in het midden van de plaat over de hele breedte- Deze positie van de breuk komt overeen met de eerste buigmode van de plaat bij een bevestiging op 4 punten. De breuk in de plaat is eerder ontstaan dan het bezwijken van de verbinding.
TNO-rapport
25 van 30
1999-CMC-R008
2
J
:. I
l
3
I
di
Figuur 3 bezwijkvormen
van statische (1 en 2) en dynamische
(3) proeven
bezwijkbelastingen varieren niet bij de houtdraadbouten en een plaatdikte van 20mm. Bij een plaatdikte van 27mm is de 8mm boutverbinding beter dan de lOmm boutverbinding. De bezwijkbelastingen van de schroefdraden zijn kleiner dan die van de ring. Dit komt door de verschillende bezwijkmechanismen. Bij de proefopstelling op de shaker is uitgegaan van de ongunstige situatie dat alleen de schroefdraad de belasting opvangt. In werkelijkheid zal de plaat voor een deel op het beton afsteunen en tevens opgesloten worden met de bevestiging aan de buitenzijde. Hierdoor kunnen grotere belastingen worden opgevangen. De
TNO-rapport
26 van 30
1999-CMC-R008
3.
ConcIusies en aanbevelingen
Het bevestigingsmiddel moet voldoen aan de volgende criteria: . het bevestigingsmiddel moet in een arbeidsgang te monteren zijn de afstand tussen plaat en tunnel wand moet traploos instelbaar zijn van 0 tot 20mm . het bevestigingsmiddel moet vanaf een zijde te monteren zijn
.
Aan de hand van deze criteria is de volgende methode van verbinden bruikbaar, schroeven in de brandwerende plaat, geen aparte afstandhouder en schroeven in de tunnelwand (dit is methode 1 van par. 1.2, bIz. 8). Uit de statische testen blijkt dat de geteste schroefverbindingen bij een Promatect H plaat met een dikte van 27mm krachten tot 170 kg kan opnemen. Dit komt overeen met een drukbelasting van ca 4000 Pa op de plaat wanneer 4 verbindingen bij een plaatoppervlakte van 0,6 meter worden toegepast.
Uit de dynamische tests is gebleken dat een belastingsequivalent van 10 drukpulsen van ca 1400 Pa kan worden opgenomen door de schroefverbinding. Bij verder dynamische tests is zowel de verbinding als de plaat bezweken waarbij de plaat als eerste is bezweken. In de uiteindelijke praktijk zal de plaat niet alleen op de schroefdraad dragen maar zal tevens een gedeelte van de plaat afsteunen op de tunnel wand. Ook zuBen ringen onder de boutkoppen worden aangebracht waarmee de plaat gefixeerd wordt. De drukken uit de literatuur en de berekeningen liggen in dezelfde orde als de drukken uit de proeven. Wanneer de gegevens over de te verwachte drukken in de boortunnels bekent zijn moeten uitgebreidere duurproeven worden gedaan. De combinatie van het schroeven in een procesgang in zowel de plaat als het beton moet nog beproefd worden. Wanneer dit proces niet werkt kunnen ankers toegepast worden met schroefdraad in de plaat. Bij ankers is het aandraaien van de bevestiging in de plaat losgekoppeld met het aandraaien van het anker in het beton.
Er dient onderzocht te worden welke dynamische belasting de plaat kan ondergaan. Hierbij dient tevens gekeken te worden naar de gevolgen van veroudering en vocht opname. Er dient onderzocht te worden in hoeverre vochtopname verbinding met schroefdraad in de plaat.
gevolgen heeft voor de
TNO-rapport
27 van 30
1999-CMC-R008
4.
Literatuur
Heemskerk CJM, Krom RP, Proper AA, Uwland JJ, Ontwikkeling van een beplatingsrobot voor brandwerende bekleding van boortunnels; functionele specificatie en plan van aanpak, TNO rapport 98-CMC-R0316, 1998.
TNO-rapport
28 van 30
1999-CMC-R008
5.
Appendix
5.1
Bepalen van optimale plaats voor de bouten in de plaat
De optimale locatie van de bouten is zodanig dat de doorbuiging in het midden gelijk is als aan de rand van de plaat. De plaat wordt voor de twee richtingen beschouwd als balk. q '-..18£ x
x
L
= 21
Symmetrie voorwaarden gebruiken en doorbuigingen gelijk aan elkaar stellen:
OM
= o£ ql4
8EI na uitwerken voIgt:
=.!!! (213-312x+x3) 6EI
;
3
;
4( ) - 12( ) + 5 = 0
oplossen voor interval O<.x
= 0.446 I
of
x
= 0.223 L
De maximale dwarskracht is: D = 0.277 qL Het maximale buigende moment van de balk is in het midden: 0.0135 qL2 qL4 De maximale doorbuiging: O=~ 3668 EI qL3 De hoekverdraaiing bij een oplegpunt: 0 =~ 5072 EI
MB=
Een andere optimale positie van de bouten kan zijn dat de plaat bij de bouten geen of bijna geen hoekverdraaiing heeft. Willen we de hoekverdraaiing minimaliseren (0 = 0) dan wordt: x = 0.4495 I Dit is ongeveer het geval waarbij de doorbuiging minimaal is. Voor een plaat van lxO.6m worden de afstanden x kend geeft dit een steekmaat van 554x332mm.
= 223mm
en 134mm. Omgere-
Door de gaten in de tubings en de naden tussen de tubings is het niet altijd mogelijk om de ideale locatie voor de bouten te hebben. Dit houdt in dat er een gebied op de
TNO-rapport
1999-CMC-R008
29 van 30
plaat aanwezig is waarbinnen de bout geplaatst moet worden. V oor de dynamische pro even hebben we gekozen voor een steekmaat van 600x360mm.
5.2
Afschatten van de dynamische belasting
Hieronder volgen resultaten van uitgevoerde dynamisch pro even van een plaat Promatect-H. de proeven zijn uitgevoerd door lnstitut fur Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB) in opdracht van Promat. Bij een van deze proeven was een Promatect-H plaat m.b.v. houten balken gemonteerd tegen een betonnen plaat. De dynamische belasting op de Promatect-H plaat is uitgevoerd met luchtdruk.
. .
Gegevens die IBMB gebruikt heeft bij de proeven voor Promat zijn: een druk-amplitude op de plaat van 3kPa (veiligheidsfactor = 3) . een belastingsfrequentie van 14 wisselingen per minuut (f = 0.233Hz) het aantal belastingswisselingen: - 600000 bij 3.0kPa 14000 bij 3.8kPa 14000 bij 4.7kPa 14000 bij 6.0kPa . afmetingen van de plaat tussen de balken is 1050x612,5mm. Oppervlak is 0,64m2. Totale kracht op de plaat is 0.6m2x3000Pa
= 1800N.
Hier hoort een versnelling bij van a = 1800/15.1 = 119,2m/s2. De maximale versnelling bij een harmonische trilling is: a = (27if) 2 s met s
= amplitude.
Met de gegeven frequentie en versnelling is de amplitude te bepalen: a s= (27if) 2 = 55.6m. Deze amplitude is veel te groot voor de shaker. Deze moet kleiner zijn dan 19mm. Hierbij zou de frequentie worden:
5.3
f=
l2.6Hz.
Afschatten van de eigenfrequenties
Een plaat van lxO.6m dik 27mm in l-deas MS5 gemodelleerd m.b.v. schaalelementen. De plaat op 4 punten opgelegd met een steek van 600x360mm. E-modulus in X-richting =4200MPa en in Y-richting = 2900MPa.
TNO-rapport
30 van 30
1999-CMC-ROOB
mode
opgelegd X-as = langs
opgelegd X-as =dwars
ingeklemd X-as =dwars
[-] 1 2 3
[Hz] 19.88 41.10 43.42
[Hz] 16.53 35.04 41.74
[Hz] 29.79 44.50 47.61
Bewegingsvorm van de plaat: mode 1: halve sinus over de lengte van de plaat mode 2: he1e sinus over de lengte van de plaat mode 3: halve sinus va or en achter fase verschil
opgelegd (500x300) X-as = dwars [Hz] 16.51 27.18 44.12
