ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. ·...
Transcript of ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. ·...
![Page 1: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/1.jpg)
ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten
Delft Infra Composites
Symposium D.R.I.V.E.Leeuwarden | 28 november 2019
![Page 2: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/2.jpg)
Bio-based brug Ritsumasyl
Vlas-Bio-Epoxy materiaal en ontwerp
2
![Page 3: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/3.jpg)
Bio-based brug Ritsumasyl
Draaibrug 34 m Vaste brug 32 m
Beide bruggen liggen op drie steunpunten en zijn getoogd
Vaste brugDraaibrug
![Page 4: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/4.jpg)
Constructie bio-based brug
Kokerbrug met dwarsschotten bij de opleggingen3,65
1,200,91 0,91 0,91 0,91
Vlas-epoxyBalsa
dwarsdoorsnede brug 1,2 m hoog en 3,65 m breed
![Page 5: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/5.jpg)
Productieschaal
Opleggen en vacuüminjectie:
Bodem en dek: 3,65 m x 34 m
Lijven: 1,2 m x 34 m
Laminaatdikte: 13 – 19 mm
Vlas van 300 gr/m2 : 0,43 mm!
Stellen, lijmen en lamineren
![Page 6: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/6.jpg)
Wigvormige staalplaat bij draaikrans
Wigvormige staalplaat van 3 m x 3 m
Dikteverloop van 45 naar 110 mm
Tapgaten voor verbinding aan brug
en draaikrans
Hoek wig: 1,25°
Gevoelig: 0,1° ➔ 38 mm over 22 m!
Draaibrug niet recht maar getoogd!
![Page 7: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/7.jpg)
Belastingoverdracht van brug naar wig
Drukspanning in bodem en lijven naast wig
FE analyse: piekspanningen op overgang van bodem en lijven naar wig
Is FE analyse niet te star?
Bevestiging van dek aan wig via dwarsschotten.
M D D M
![Page 8: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/8.jpg)
Impact materiaal op brugontwerp
In glasvezel is deze brugconstructie relatief eenvoudig te realiseren vanwege de bekendheid met de eigenschappen van het materiaal
Vlasvezel blijkt echter een aantal bijzondere eigenschappen te hebben die het ontwerpproces sterk beïnvloeden
![Page 9: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/9.jpg)
Selectie en keuze bio-vezels en bio-harsen
Natuurlijke cellulosevezels : Vlas – Hennep - Ramie - Jute - Katoen - Kokos
Uit houtresten gesponnen cellulosevezels: BioMid (Canada)
Bio-harsen: Epoxy – Polyester
Sandwichkernmaterialen: Balsa – PLA-schuim (polymelkzuurschuim)
Afweging: kwaliteit (E-modulus), verkrijgbaarheid en productieproces VI
Keuze: Vlasvezel + Bio-epoxy + Balsa → 70 % bio-based brug
![Page 10: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/10.jpg)
Vier uitdagingen van vlas-epoxy
1. E-modulus
2. Vocht
3. Temperatuur
4. Kruip
![Page 11: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/11.jpg)
E-modulus
E-modulus vlasvezel: 60 GPa
Vezelvolumefractie vacüuminjectie: 50 %
Theorie UD-laminaat: 0,5 x 60 = 30 GPa
Praktijk: 21 GPa met post-cure 60°C
Hogere post-cure bij 80°C: 24 GPa
Oorzaak: binding van epoxy met vlas (p,T,t)
Oplossing: grotere brughoogte 1 m → 1,2 m 0 5 10 15 20 25 30 35
Praktijk 80°C
Praktijk 60°C
Theorie
E-modulus UD vlas-epoxy
![Page 12: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/12.jpg)
E-modulus Post-cure 80°C
Inpakken van bruggen
34 m x 3,65 m x 1,2 m
in steenwol.
Hete lucht kanonnen
voor egale verwarming
over de hele brug.
![Page 13: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/13.jpg)
Vocht
Verlies van E-modulus door vochtblootstelling
Startwaarde: 21 GPa
Na 100 uur in water van 30°C
Zonder coating: 17 GPa
Standaard coating: 19,5 GPa
Meerlaags coating: 20 GPa
Hot-wet factor: 1,02
0 5 10 15 20 25
Meerlaags coating
Standaard coating
Zonder coating
Startwaarde
E-modulus na vochtblootstelling100 uur in water van 30°C
![Page 14: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/14.jpg)
Vocht Coaten brug buiten én binnen
Coaten binnenzijde van brug
vóór verlijmen van het dek.
Na verlijming dek buitenzijde
gecoat.
Coating krijgt alleen vanaf
het water UV-straling.
Draaibrug zonder dek
![Page 15: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/15.jpg)
Temperatuur TU Delft
Uitzettingscoëfficiënten α1 en α2 van UD vlas-epoxy
• Groot verschil tussen α1 en α2
• Verloop van α1 met de temperatuur
α1 = 8,3 · 10-6 K-1 T < +10°Cα1 = 0,8 · 10-6 K-1 T > +10°C
α2 = 83,6 · 10-6 K-1
αstaal = 12 · 10-6 K-1
+ΔT
α1
α2 UD
-40 -20 0 20 40 60 80
Temperatuur [°C]
Uitzetting vlas-epoxy
α1
α2
αstaal
![Page 16: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/16.jpg)
Temperatuur KU Leuven
Uitzettingscoëfficiënten α1 en α2 van UD vlas-epoxy
• Groot verschil tussen α1 en α2
• Verloop van α1 en α2 met de temperatuur
α1 = 6 · 10-6 K-1 α2 = 40 · 10-6 K-1 -30 °C < T < 0°C
α1 = -3 · 10-6 K-1 α2 = 50 · 10-6 K 0°C < T < +20°C
α1 = -2 · 10-6 K-1 α2 = 80 · 10-6 K +20°C < T < +60°C
αstaal = 12 · 10-6 K-1
+ΔT
α1
α2 UD
-40 -20 0 20 40 60 80
Temperatuur [°C]
Uitzetting vlas-epoxy
α1
α2
αstaal
![Page 17: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/17.jpg)
Temperatuur
Uitzettingscoëfficiënten laminaten bio-brug (TU Delft meting)
QI laminaat: α1 = α2 = 29,6 · 10-6 K-1 T < +10°Cα1 = α2 = 24,2 · 10-6 K-1 T > +10°C
QI+UD laminaat: α1 = 16,0 · 10-6 K-1 T < +10°Cα1 = 9,3 · 10-6 K-1 T > +10°C
α1 = 50,7 · 10-6 K-1 T < +10°Cα1 = 47,4 · 10-6 K-1 T > +10°C
Factor 2 tot 4 hoger dan staal
+ΔT
α1
α2
αstaal = 12 · 10-6 K-1
![Page 18: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/18.jpg)
Temperatuur Effect
Effect op draaibrug door zon en vorst:
• Bij as 3 per graad uniform +/- 0,7 mm en per graad gradiënt +/- 3 mm
• Bij as 1 per graad uniform +/- 0,2 mm en per graad gradiënt +/- 0,9 mm
Zon op bovenzijde en koeling door water aan onderzijde → kattenrug
ΔT = 30°C
Gevolgen voor de capaciteit van het opzetwerk34 m
90 mm27 mm
![Page 19: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/19.jpg)
Kruip Treksterkte
Kruipfactor voor 100 jaar
• QI : 3,7
• QI+UD : 3,3
Kruipfactor hout: 2
Kruipfactor QI glas-epoxy: 1,5
2 + 1,5 → 3,5
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000Lo
g σ
[MPa
]
Log t [s]
Kruiptreksterkte QI laminaat
![Page 20: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/20.jpg)
Kruip Druksterkte
Kruipgedrag onder drukbelasting:
• Kruip onder druk wordt buiging
• Drukzijde initieert de buiging
• Drukzijde gedraagt zich ‘plastisch’
• Sterkte wordt door trekzijde bepaald
• Kruipfactor voor trek is voldoende voor druk
![Page 21: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/21.jpg)
Kruip Vervorming
0,00001
0,0001
0,001
0,01
1000 10000 100000 1000000 10000000
Log
ε[-
]Log t [s]
Kruipvervorming QI+UD laminaat
Kruipfactor voor 100 jaar:
• QI met 10 MPa: 14,6
• QI+UD met 12 MPa: 7,2
Kruipfactoren vervorming
overdrijven voor 100 jaar
72 MPa
13 MPa9 MPa
![Page 22: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/22.jpg)
Kruip Gevolgen
Gevolgen voor draaibrug: grote opzethoogte en grote opzetkracht.
Nodig: zwaarder opzetwerk en limiteren vervorming voor opzetwerk
Aanpak: Toog draaibrug realiseren door elastische vervorming en vóórkruip
Resterende kruipvervorming voor opzetwerk: 200 mm en 75 mm
Halvering hiervan door nastel-mogelijkheid bij draaikrans: 100 mm
Elastisch 151 mmElast. 54 mm
Max 498 mmMax 178 mm
![Page 23: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/23.jpg)
Toog door elastische vervorming en vóórkruip
Rode driehoeken zijn oplegpunten brug
Bruine lijn is brug onvervormd onder hoek van 1,25° (wig)
Groene lijn is brug elastisch vervormd
Blauwe lijn is brug met vóórkruip, valt net onder oplegpunten
12 m 22 m
336578
elastisch
as 3as 2 = draaikransas 1
vóórkruip
![Page 24: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/24.jpg)
Cyclische kruiptesten
Simulatie open en dichte draaibrug
Minder kruip dan permanent open
1/3 kruip veert terug
Kruip halveert hierdoor
![Page 25: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/25.jpg)
Schaalmodel brug Segmenttest
Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte
Spanningen hetzelfde als in de brug
4,5 m 8,25 m
trekbakverbinding
0,9 m
0,6 m
6,1875 m m
1,880 m
4,125 m
0,75 m 0,75 m
3949 kg
2191 kg
![Page 26: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/26.jpg)
Productie segment
Vingeroefeningen voor de echte brug:
• Hoe gedraagt het materiaal zich op
grote schaal met vacuüminjectie?
• Welke vezelvolumefractie haal je?
• Welke piek-exotherm treedt op?
• Hoe verloopt verlijming?
• Hoe verloopt lamineren?
• Hoe verloopt post-cure bij 80°C?
• Hoe maak je de verbinding naar staal?
![Page 27: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/27.jpg)
Vóórkruip segment
Vóórkruipproces verliep goed
Iets minder kruip dan verwacht
Lange zijde Korte zijde
![Page 28: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/28.jpg)
Segmenttest Stevin lab
Uitgevoerde testen:
• Stijfheidsmeting: 24 GPa
• Vermoeiing: 1,14 miljoen cycligeen schade
• Kruiptest 3 weken:kruipfactor 2,56 – 3,21 < 3,3
• Hot-wet test: 1 week 80 % R.H.hot-wet factor 100 jaar 1,04
• Minder rek bij draaikrans
![Page 29: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/29.jpg)
Vaste brug en Draaibrug Vóórkruipen
Vaste brug is zonder toog (vlak) gebouwd en ca. 3 weken vóórgekropen.
Resultaat: iets minder kruip dan verwacht op basis van segmenttest
Conclusie: grotere schaal geeft meer herverdeling en minder kruip
Gevolg: nakruipen in situ
Draaibrug met kleine toog gebouwd en ca. 3 weken vóórgekropen
Resultaat: kleine toog + vóórkruip klopten als totaal, maar niet per kant
Gevolg: Nastelling van de hoogte op de draaikrans en bij korte zijde
![Page 30: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/30.jpg)
Transport naar Ritsumasyl
![Page 31: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/31.jpg)
Plaatsing draaibrug
![Page 32: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/32.jpg)
Draaibrug in werking
![Page 33: ir. W. Souren (Willem) | senior specialist (bio)composieten Delft Infra … · 2019. 11. 29. · Schaalmodel brug Segmenttest Schaalmodel met halve hoogte en kleinere lengte Spanningen](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060919/60ab9bc0bc651b0e6e51d4da/html5/thumbnails/33.jpg)
Dank voor uw aandacht