Productie van gewapend rubber brugopleggingen

In bestekken worden soms aanvullende, van de norm afwijkende, eisen gesteld aan het elastomeer van een gewapend rubber brugoplegging. Doorgaans is dit niet toegestaan omdat het door de Europese Unie wordt gezien als handelsbelemmering. Los daarvan heeft een aanpassing van het rubbermengsel verstrekkende gevolgen voor het productieproces. Dit is namelijk afgestemd op de receptuur waarmee de fabrikant zijn accreditatie heeft verkregen om producten met CE-markering op de markt te mogen brengen. Een ander mengsel betekent een andere vulkanisatieprocedure, dus andere instellingen van pers en oven. De ontwikkeling van het ideale fabricageproces is ook voor een rubbertechnoloog een tijdrovende klus. Te weinig druk of temperatuur geeft onvoldoende vulkanisatie, bij teveel druk of temperatuur wordt niet de gewenste molecuulstructuur verkregen. Om een idee te krijgen wat komt kijken bij het maken van gewapend rubber opleggingen, wordt in dit artikel de fabricage beschreven.

Het staal voor de wapeningsplaten wordt na een ingangscontrole op een dergelijke wijze geregistreerd, dat van elk eindproduct bekend is coatenuit welke partij het staal afkomstig was. Platen van de juiste dikte worden gezaagd in de afmetingen die nodig zijn voor de productie van een serie opleggingen. Vervolgens worden ze gestraald, ontvet en voorzien van een coatingsysteem waarmee een optimale hechting wordt verkregen tijdens het vulkaniseren. Na droging gaan de plaatjes, gescheiden door een PE-folie, naar de assemblage-afdeling.

De fabricage van een goed homogeen rubbermengsel is vergelijkbaar met het maken brooddeeg. Eerst worden alle ingrediënten op elektronische precisieweegschalen afgewogen. Vervolgens worden ze kneedbaar gemaakt en in mixer gemengd tot een homogeen geheel. Met de toevoeging van weekmakers en versnellers op de juiste momenten worden op verwarmde cilinders tenslotte vellen gemaakt die minimaal 24 uur worden opgeslagen om te ontgassen en uit te harden. Vellen uit verschillende mixsessies worden samengebracht tot partijen van ongeveer driehonderd kilo.

kalenderenIn een zogenoemde kalendermachine worden de vellen eerst verwarmd en gemengd om vervolgens tussen stalen walsen tot rollen van een vooraf bepaalde dikte te worden gevormd. Een polyethyleen scheidingslaag voorkomt verkleving van het rubber. Monsters uit elke partij worden in het interne laboratorium gecontroleerd op rek bij breuk en Shore hardheid. Verouderingsproeven worden periodiek uitgevoerd. Alleen als het rubber voldoet aan de in norm EN 1337 gestelde eisen, mag het worden gebruikt voor de productie van CE gemarkeerde opleggingen. Daartoe wordt platen van de juiste dikte gesneden in de lengte en breedtemaat van een bestelde partij opleggingen. Van elke oplegging is bekend uit welke partij deze is gemaakt.

Op de assemblage-afdeling komen staal- en rubber platen samen. Op een productieformulier staat in woorden en getallen precies aangegeven hoe en uit welke componenten de serie opleggingen wordt opgebouwd. Tevens is vermeld wat de benodigde persdruk en vulkanisatietijd is voor de betreffende serie opleggingen. Na controle van de aangeleverde materialen wordt de kern van de eerste oplegging aan de hand van het formulier op de juiste wijze gestapeld. Dan wordt de zijbekleding aangebracht. Na controle op gewicht worden soms kleine correcties gemaakt. Productietekeningen, zoals soms voorgeschreven, worden bij de fabricage van rubber opleggingen niet gebruikt.

matrijsDe medewerker die de vulkanisatiepers bedient, zorgt voor de instelling van de matrijs. Hij stelt de juiste temperatuur en druk in en plaatst de “nog niet afgebakken” oplegging in de matrijs. Nadat overtollige lucht uit de stapel is verwijderd, wordt de machine aangezet.

De eerste oplegging van een serie wordt uitvoerig gecontroleerd op maatvoering. Alleen als deze binnen de toleranties valt, wordt de rest van de serie geproduceerd. Als één of meerdere maten niet klopt, worden in overleg met de productiemanager corrigerende maatregelen genomen. De complete serie opleggingen gaat vervolgens naar de afdeling die verantwoordelijk is voor de eindcontrole. Na een akkoord kunnen de opleggingen op transport.

ESZ: snelle levering van maatwerk

Elastomer Service Zentrale Wilfried Becker GmbH, kortweg ESZ, is gespecialiseerd in de ontwikkeling en de verwerking van oplegmaterialen voor de bouwsector. Deze relatief kleine, maar essentiële, bouwstoffen worden in de praktijk nog wel eens vergeten bij de bestellingen. Vooral bij puntopleggingen gaat het dan om maatwerk. ESZ is daarop ingespeeld. Als goede tekeningen of schetsen beschikbaar zijn, kan snel – altijd binnen twee weken – worden geleverd. Eventueel worden spoedtransporten georganiseerd naar de bouwplaats. Arcas vertegenwoordigt ESZ in de Benelux vanaf 2006.

esz_bedrijfsgebouwESZ wordt sinds 2000 geleid door Ralf Becker, de zoon van grondlegger Wilfried. Het bedrijf is sinds de oprichting in 1985 gevestigd in Kaarst nabij Düsseldorf.  Met een kleine twintig werknemers worden aannemers, staalbouwers en de prefab betonindustrie in Duitsland, Oostenrijk, Zwitserland, Finland en de Benelux beleverd. Het leveringsprogramma bestaat uit puntopleggingen in verschillende kwaliteiten, lijnopleggingen, glijopleggingen en producten voor contactgeluidisolatie, trillingsdemping en thermische ontkoppeling. Opleggingen van ongewapend elastomeer vormen het grootste deel van de omzet. Met name het paradepaardje ‘Type 200’, een oplegmateriaal voor belastingen tot 25 N/mm², doet het zeer goed in de markt.

manchetPuntopleggingen worden in elke vorm geleverd. ESZ beschikt over een uitgebreid machinepark waarmee zowel ongewapende als gewapende materialen kunnen worden bewerkt. Het meest voorkomend zijn rechthoekige opleggingen met sparingen voor mechanische verbindingen. Afschuiningen en uitsneden zijn eveneens te realiseren. Ronde opleggingen komen zelden voor, maar in voorkomende gevallen zijn ook deze te maken. In geval van sparingen in tweedelige glijopleggingen (Fosta), krijgt de glijplaat slobgaten zodat beweging altijd mogelijk is. Alle oplegmaterialen kunnen desgewenst worden geleverd met brandmanchetten van minerale wol of een verloren bekisting van polystyreenschuim.

ESZ ontwikkelt de bouwstoffen zelf. De productie wordt – in licentie – uitbesteed aan de gespecialiseerde maakindustrie. Deze levert de elastomeren in plaatvorm of op rol. Van belang is dat alle materialen zijn beproefd op hun toepassing als oplegging. Dat is bij een rubber van een niet gespecialiseerde leverancier zelden het geval. Maximale belastingen en vervormingen (hoekverdraaiingen en translaties) van de ESZ-opleggingen zijn dus bekend. Deze data zijn opgenomen in een in eigen beheer ontwikkeld rekenprogramma. Hiermee  kunnen de meest economische opleggingen voor een bepaalde toepassing worden gedimensioneerd. Een Nederlandstalige versie van het programma is beschikbaar voor onze relaties.

Kwaliteit staat hoog in het vaandel bij ESZ. Alhoewel de Duitse Zulassungen en Prüfzeugnissen bij ons geen formeel geen waarde hebben, is het toch geruststellend te weten dat de oplegmaterialen ook extern beoordeeld zijn door het Deutsche Institut für Bautechnik of de Technische Universität München. Het management van ESZ is ISO 9001 gecertificeerd.

sepathermMet de introductie van Sepatherm in 2015 heeft ESZ zich verder ontplooid als producent van oplegmateriaal, ook als dit geen elastomeer bevat. Sepatherm is een zwaar belastbare harde kunststof waarmee constructies thermisch ontkoppeld kunnen worden. Bij de ontwikkeling van het materiaal speelde de jarenlange ervaring in de bouwsector een grote rol. Uitgangspunt was een geringe indrukking bij gangbare belastingen. Een isolatiemateriaal in een constructieve verbinding mag immers niet te veel vervormen.

Zowel bij de ontwikkeling van nieuwe producten, als bij de interne kwaliteitscontrole en speciale toepassingen speelt het eigen laboratorium een grote rol. Hier kunnen drukproeven worden gedaan tot 5.000 kN en kruipproeven tot 3.000 kN verticale belasting. Ook beschikt ESZ over apparatuur waarmee onder andere eigenfrequentie en veerstijfheid van labtrillingsdempende materialen kan worden vastgesteld. De afdeling Techniek, die bestaat uit twee ingenieurs, is verantwoordelijk voor het lab. Zij hebben zitting in normcommissies en kennisplatforms en zijn dus op de hoogte van de laatste ontwikkelingen op het vakgebied. In voorkomende gevallen maakt Arcas graag gebruik van de aanwezige specialistische vakkennis.

Oplegjargon

Op tekeningen en in bestekken van bouwkundige projecten worden termen als ‘oplegvilt’, ’neopreen’ en ‘glijfolie’ gebruikt om aan te duiden dat een oplegging moet worden toegepast. ‘Oplegvilt’ staat doorgaans voor ‘oplegmateriaal’. ‘Neopreen’ betekent meestal dat het om rubber gaat en met ‘glijfolie’ wordt bedoeld dat de oplegging een verplaatsing van het opgelegde bouwdeel moet kunnen opnemen.

Soms is aan de hand van de toepassing te achterhalen wat de bedoeling is, maar vaak ook niet. Gaat het simpelweg om egalisatiemateriaal of worden ook zwaardere eisen gesteld aan de oplegging zoals hoge belastingen en regelmatig terugkerende vervormingen? Vragen waar de aannemer vaak geen antwoord op heeft. Bij voorkeur ontvangen we een overzicht van de eisen, maar het gebruik van de juiste benamingen zou enorm helpen. In dit artikel wordt uitleg gegeven over termen in het vakgebied oplegtechniek.

Elastomeer is een polymeer met rubberachtige eigenschappen. Het wordt samengesteld uit tien tot twintig ingrediënten. De keuze van het soort (synthetisch) rubber en de vulkanisatiemethode zijn bepalend voor de materiaaleigenschappen. Het recept van het mengsel beïnvloedt de kwaliteit.

De maximale belasting van elastomeer kan oplopen tot zo’n 25 N/mm² maar is wel afhankelijk van de dikte/breedteverhouding. Hoe kleiner en hoe dikker het oplegmateriaal, hoe groter de indrukking. Het betreft hier een vrijwel elastische indrukking. Deze eigenschap maakt elastomeer uitermate geschikt voor het opnemen van wisselende belastingen en vervormingen.

GR40Gewapend rubber: een ‘Big Mac’ van lagen elastomeer en stalen wapeningsplaten. In België spreekt men van “gefretteerd rubber” en “inrijgplaten”. Een wat verouderde variant is textielgewapend rubber. De wapening is bedoeld om de indrukking van het oplegmateriaal te beperken. Staalgewapend rubber wordt hoofdzakelijk gebruikt in brugopleggingen. In kunstwerken heeft men dikke blokken nodig om vervormingen op te vangen. Bij B&U-projecten kan doorgaans worden volstaan met opleggingen tot 20 mm. De kwaliteit van de moderne ongewapende oplegrubbers maakt wapening dan veelal overbodig.

Glijfolie: lijnoplegging met een kern van twee lagen gladde folie waartussen een vet is aangebracht op basis van minerale olie. Glijfolie kan aan één of twee zijden worden voorzien van een drukverdelende en egaliserende laag. Glijfolies hebben een lage wrijvingscoëfficiënt maar kunnen nauwelijks hoekverdraaiingen opnemen.

GlijopleggingenGlijoplegging: Meestal wordt gewapend rubber met een PTFE glijlaag en losse glijplaat bedoeld. De ongewapende gelimiteerde lijn-glijoplegging valt echter ook onder deze noemer. Glijopleggingen hebben een lage wrijvingscoëfficiënt en kunnen wisselende hoekverdraaiingen aan.

Glijvilt is haarvilt dat door middel van een teflon- of grafietcoating glad wordt gemaakt. Het materiaal wordt meestal toegepast in combinatie met een glijplaat. De wrijvingscoëfficiënt is hoger dan die van glijfolie of een glijoplegging. Net als gewoon bouwvilt is glijvilt niet geschikt voor de opname van variërende hoekverdraaiingen.

Neopreen: Handelsnaam van DuPont™ voor polychloropreenrubber (CR). Met name in Vlaanderen is ‘neopreen’ het synoniem voor alles wat zwart en enigszins elastisch is. Neopreen of chloropreen is net als EPDM of SBR beslist geen kwaliteitsaanduiding. Kwaliteit is afhankelijk van de receptuur. Meer daarover in het artikel ‘Neopreen als toverwoord, kwaliteit van elastomeer‘.

Oplegvilt of bouwvilt:  Oplegmateriaal gemaakt van vezels. Vroeger was dit altijd haar van rundvee, tegenwoordig zijn ook synthetische alternatieven op de markt. Hoe meer vezels per volume, hoe hoger de maximale belasting. Afhankelijk van deze zogenoemde areïeke massa bedraagt de maximale drukspanning 1 tot 5 N/mm². De blijvende indrukking is soms wel 50% van de oorspronkelijke dikte. Vilt is daarom alleen geschikt voor toepassing in constructies waar nauwelijks horizontale verplaatsingen en variaties in hoekverdraaiingen voorkomen.

Rubber In feite de naamgevende component van elastomeer, maar ook gebruikt als synoniem. Er bestaat maar één natuurrubber en wel veertig synthetische rubbers.

Staalvilt Met was- of vetmengsel geïmpregneerd vilt. Door impregnatie wordt de draagkracht verhoogd. Staalvilt vervormt net als bouwvilt voornamelijk plastisch en kan dus geen wisselende vervormingen opnemen.

Trekkrachten in het contactvlak

De losse verbinding tussen ligger en staander is de eenvoudigste en waarschijnlijk oudste constructieve verbinding die er is. De Hunebedbouwers maakten er al gebruik van. Op het contactvlak tussen de zwerfkeien worden drukkrachten overgebracht via direct contact. Dat kan uiteraard nog steeds maar in betonconstructies gebruiken we tegenwoordig oplegmaterialen tussen de elementen. Meestal is dat elastomeer (‘rubber’) en in Nederland wordt ook vilt toegepast. Het gebruik van elastisch oplegmateriaal heeft vele voordelen maar is niet helemaal zonder gevolg. De vervorming van het volumevaste rubber veroorzaakt namelijk trekspanningen. Hiermee moet bij betonnen constructies rekening worden gehouden.

Oplegmaterialen effenen het oplegvlak en zorgen voor concentratie van de druk op de juiste plek. Zonder toepassing van opleggingen kunnen piekspanningen ontstaan door oneffenheden in het contactvlak. Een lichte scheefstand van de staander of doorbuiging van de ligger, leidt tot een drukpunt op de rand. Hetzelfde geldt bij contactvlakken die niet perfect evenwijdig lopen. Rubber opleggingen zijn elastisch en dientengevolge in staat translaties en hoekverdraaiingen op te nemen.

Alleen wanneer de drukspanningen zeer gering zijn, mogen  betonnen elementen koud op elkaar gelegd worden. Eventuele oneffenheden in de contactvlakken dienen dan eerst weggewerkt te worden met daartoe geëigende mortels. Bij vloer- en balkopleggingen zijn de drukspanningen meestal hoog en moeten dus oplegmaterialen worden gebruikt. Deze nemen de onregelmatigheden van het contactvlak op en verdelen de contactspanningen. De dikte van het oplegmateriaal bij B&U-projecten varieert doorgaans van 2 tot 20 mm voor ongewapend rubber en van 10 tot circa 40 mm mét wapening. Gewapend rubber is als brugoplegging ook in grotere dikten leverbaar. Gangbare dikten van oplegvilt zijn 5 en 10 mm.

Een 2 mm dik rubber doet alleen dienst als egalisatie- en drukverdelingslaag. Hetzelfde geldt voor vilt. Dit materiaal is namelijk niet elastisch. Dat wil zeggen dat veranderingen van vorm onder druk grotendeels blijvend zijn. Vilt is daarom alleen geschikt voor toepassing in constructies waar nauwelijks horizontale verplaatsingen en variaties in hoekverdraaiingen voorkomen. Voor de opname van planparallelle verschuivingen (meestal lengteverandering van de ligger) en rotaties, is elastomeer met enige hoogte benodigd. Hoe dikker, hoe meer verschuiving mogelijk is. Hoe groter de hoogtemaat én hoe smaller de oplegging, hoe meer hoekverdraaiing kan worden opgenomen. Een dikkere oplegging kan echter niet altijd tot het maximum worden belast. Zie het artikel ‘Vormfactor: begrenzing van de oplegdruk’.

belastingen_en_vervormingenOplegmateriaal moet op een bepaalde afstand van de rand van het dragende element worden geplaatst om afbrokkelen van de ongewapende randzone van het steunpunt te voorkomen. De te hanteren randafstand zijn te vinden in de tabellen 10.2 tot en met 10.4 van Eurocode 2 deel 1-1. Gecontroleerd dient te worden of de ligger bij maximale doorbuiging de rand van het beton niet raakt.

dwarse_trekkrachtenBij het gebruik van elastomeer opleggingen zullen trekkrachten ontstaan in de aangrenzende bouwelementen. Dat komt omdat elastomeer onder druk zijn volume behoudt. De oppervlaktewrijving ter plaatse van het contactvlak met de bouwelementen verhindert het rubber om in zijdelingse richting uit te zetten. Het gevolg is het ontstaan van trekspanningen in het aangrenzend materiaal en drukspanningen in het elastomeer. Deze spanningen nemen toe met de rubberdikte. De trekkrachten dienen niet verward te worden met splijtspanningen die op een zekere diepte optreden en bij elk belast oppervlak voorkomen. Om de krachten te kunnen opvangen dient wapening, met inachtneming van de vereiste dekking, zo dicht mogelijk onder het oppervlak te worden gelegd.

Voor de berekening van de trekkrachten hanteert men in DIN 4141-15 5.3 de volgende formule.
Formule_ZqMet daarin:
F = belasting in kN
a = maat van de oplegging in de richting van de trekkrachten in mm
t  = dikte van de oplegging in mm

Een voorbeeld met een 15 mm dikke oplegging met een oppervlakte van 100 x 200 mm:

Formule_Zq_voorbeeld

Levensduur van rubber opleggingen

Ingebouwde rubber oplegmaterialen kunnen niet of moeilijk worden vervangen. Een terechte vraag is wat de levensduur van deze bouwstoffen is. Helaas is een eenduidig antwoord niet mogelijk.  De meeste rubbermengsels zijn niet lang genoeg in productie om te beschikken over ervaringscijfers.  Bovendien bepalen de omstandigheden waaraan de bouwstof wordt blootgesteld  in grote mate de levensduur.

Veroudering van een materiaal kan worden omschreven als ‘verandering van de eigenschappen in verloop van de tijd’. Voorbeelden zijn krimp, brosheid, scheurvorming, maar ook materiaalmoeheid.  Een rubber bouwstof wordt toegepast om zijn elastische eigenschappen. Veroudering van rubber manifesteert zich als verlies aan veerkracht. Leg een elastiekje enkele dagen of weken achter het raam in de zon en het zal breken bij belasting.  Oplegmateriaal moet beduidend langer meegaan. Hoe wordt dat bewerkstelligd?

Een elastomeer  is een polymeer met rubberachtige eigenschappen. De materiaalkenmerken worden bepaald door de keuze van de soort rubber en de vulkanisatiemethode.  De ene soort rubber is beter bestand tegen veroudering dan de andere. Naast rubber – natuurrubber of synthetisch rubber – worden nog zo’n tien tot twintig bestanddelen toegevoegd die de gewenste eigenschappen van het eindproduct bepalen.  Anti-verouderingsmiddelen of antidegradanten zijn relatief dure bestanddelen die bescherming bieden tegen de invloeden van zuurstof, ozon en UV.  Om de prijs te drukken wordt vaak bespaard op deze ingrediënten.

Natuurrubber, SBR (Styrol-butadien rubber), CR(chloropreenrubber), en EPDM (Ethyleen-Propyleen-Terpolymere rubber) zijn de elastomeren die het meest worden toegepast als oplegmateriaal.  Natuurrubber is zonder toevoegingen slechts in geringe mate bestand tegen veroudering en ozon. Een goede kwaliteit SBR behoudt zijn elastische eigenschappen iets langer dan onbeschermd natuurrubber. CR heeft met behulp van de juiste ingrediënten een zeer goede bestendigheid tegen veroudering en EPDM is ‘van nature’ goed bestand tegen omstandigheden die van invloed zijn op verval door oxidatie.

Wat zijn nu die invloeden? Onderscheid kan worden gemaakt  in een aantal verouderingsprocessen. Als aantasting door chemische belasting buiten beschouwing wordt gelaten zijn de voornaamste oorzaken van veroudering:

  • Hoge en lage luchttemperaturen
  • Atmosferische invloeden als ozon, temperatuurswisselingen, vocht en UV-licht
  • Statische en dynamische belastingen

Om iets te kunnen zeggen over de te verwachten levensduur worden rubber bouwstoffen in omstandigheden gebracht waarmee een versnelde veroudering wordt bewerkstelligd. Voor en na de simulatie worden de mechanische eigenschappen als treksterkte, rek-bij-breuk en hardheid  gemeten. De testuitslag is geen garantie voor een bepaalde levensduur, maar geeft een indicatie.

Bij oplegmaterialen kunnen we een onderscheid maken in producten voor de B&U-bouw en die voor de GWW-sector (brugopleggingen). De eerstgenoemden worden vaak toegepast op locaties waar ze niet kunnen worden gecontroleerd of vervangen. Het milieu is echter meestal niet agressief.  Brugopleggingen daarentegen worden blootgesteld aan de elementen. Ze kunnen goed worden geïnspecteerd en indien nodig worden vervangen door de brug op te vijzelen.

In Duitsland krijgt een oplegmateriaal voor de B&U-sector een ‘Algemeines Bauaufsichtliches Prüfzeugnis’ als mag worden aangenomen dat de te verwachten levensduur tenminste gelijk is aan die van het bouwwerk waarin het wordt toegepast. Om het attest te verkrijgen worden proefstukken gedurende 168 uur blootgesteld aan lucht van 70 °C.  De verandering van hardheid, treksterkte en rek bij breuk mag na deze beproeving niet groter zijn dan een bepaald percentage. Daarnaast mag het proefmateriaal geen zichtbare scheuren vertonen na, onder mechanische belasting, te zijn onderworpen aan een verhoogde concentratie ozon.

De Europese norm EN 1337-3:2005 voor gewapende rubber brugopleggingen stelt eisen aan de maximale verandering van de glijdingsmodulus na kunstmatige veroudering door blootstelling aan lucht van 70 °C gedurende 72 uur. Daarnaast worden  proefstukken onderworpen aan een ozontest die vergelijkbaar is met die van de Prüfzeugnis. Tenslotte wordt een vermoeiingstest uitgevoerd door een proefstuk twee  miljoen maal wisselend  te belasten.

Niet elk zichtbaar defect hoeft te leiden tot onmiddellijke vervanging. Uit onderzoek van Rijkwaterstaat blijkt dat een brugoplegging na reparatie ter plekke soms nog tot vijftien jaar mee kan gaan.

Puntopleggingen; welke kwaliteit en afmetingen?

Puntopleggingen worden toegepast op de steunpunten van opgelegde elementen. De voornaamste reden van gebruik is het op de gewenste plaats overbrengen van verticale lasten. Vaste rubber puntopleggingen kunnen daarnaast ook hoekverdraaiingen en beperkte horizontale bewegingen opnemen. Een prettige bijkomstigheid is dat rubber opleggingen in elke maat en vorm kunnen worden geleverd. Waar nodig worden sparingen aangebracht voor bijvoorbeeld ankerpennen. Het dimensioneren van een elastisch materiaal is anders dan de berekening van een stalen of betonnen constructie. Hoe doet u dit? Hoe kiest u de  juiste kwaliteit oplegmateriaal?

Alle rekenmethoden om een al dan niet gewapende rubber oplegging te dimensioneren zijn gebaseerd op de lineair-elastische theorie van Topaloff. Deze publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift ‘Der Bauingenieur’ in 1964. In dit artikel over opleggingen voor de B&U- bouw volgen we de rekenmethode zoals deze is uitgewerkt in DIN 4141 deel 14 (1984).

Voor het dimensioneren van een puntoplegging heeft u de volgende gegevens nodig:

  • Verticale belastingen. Hier wordt de gebruiksbelasting aangehouden als karakteristieke rekenwaarde. De verhouding tussen variabele en permanente belasting kan eventueel van belang zijn bij de keuze van de kwaliteit van een oplegmateriaal. Daarover later meer.
  • Hoekverdraaiing. Uit de constructieberekeningen volgt de doorbuiging van het bouwdeel. Daarnaast gelden er eventueel geometrische aspecten. Verder is het niet onbelangrijk om rekening te houden met uitvoeringsaspecten. Een eventuele afwijking van 5 ‰ van de planparallelliteit (5 mm per meter of ca. 0,3 °) is realistisch.
  • Lengteverandering van het bouwdeel als gevolg van temperatuur, kruip en krimp.
  • Beschikbaar oplegvlak. De tabellen 10.2 tot en met 10.4 uit Eurocode 2 deel 1-1 bieden de nodige informatie. Aan de hand van de gemiddelde oplegdruk en het toegepaste materiaal van het ondersteund bouwdeel kunnen de minimaal benodigde oppervlakken en randafstanden worden vastgesteld. In principe is de breedte van de oplegging kleiner dan de lengte. Dat wil zeggen dat de as van de hoekverdraaiing evenwijdig loopt met de grootste afmeting. Sparingen, mits in totaal kleiner dan 10% van de oppervlakte van de oplegging, hoeven niet in mindering te worden gebracht op het beschikbare oppervlak. Verder dient te worden opgemerkt dat bij de dimensionering van oplegmateriaal een vormfactor wordt gehanteerd. Hoe kleiner en hoe dikker de oplegging, des te groter de vervorming en daarmee de interne schuifspanningen. Kleine dikke opleggingen kunnen daarom niet tot aan de opgegeven maximale oplegdruk worden belast.

Aan de hand van tabellen van leveranciers kan eenvoudig worden vastgesteld welk materiaal voor uw project het meest geschikt is. Eenvoudiger is echter het gebruik van een dimensioneringsprogramma. Met ons gratis beschikbare rekenvel bijvoorbeeld, kan direct het meest voordelige type uit het programma van ESZ worden bepaald. Gerekend kan worden met op de millimeter nauwkeurige maten en exacte hoekverdraaiingen. De programmatuur voorziet tevens in een keuze tussen de twee opleggingsklassen die worden gehanteerd in DIN 4141. Alhoewel deze norm in Nederland niet van kracht is, valt sterk te overwegen alleen de beste materialen in te zetten bij kritische situaties. De hoogste kwaliteit oplegmaterialen (klasse 1) heeft de nodige elastische overcapaciteit. Deze opleggingen worden toegepast in geval dat het eventuele bezwijken van de oplegging (bij bijvoorbeeld overschrijding van de veronderstelde belastingen) ernstige gevolgen heeft voor de draagkracht van de gehele constructie of delen daarvan. ‘Klasse 1 oplegmateriaal’ bevat relatief veel elastomeer. Dit geeft het product een snelle terugveerreactie en maakt het geschikt voor toepassing in constructies met een hoge variabele belasting. Wordt deze last weggenomen, dan blijft het oplegmateriaal de constructie ondersteunen. DIN 4141 schrijft klasse 1 voor als de variabele belasting meer dan 25% uitmaakt van de maximale belasting.

Bij het bestellen van opleggingen, zeker als deze sparingen hebben, is het verstandig een tekening mee te sturen. Bij uitvoeringen die zijn ingepakt in polyethyleen (voor toepassing onder ter plaatse gestort beton) of minerale wol (bescherming tegen brand) geeft u ook de maten van dit materiaal aan.

Glijvilt of glijfolie?

Vaste lijnopleggingen kunnen in beperkte mate lengteveranderingen van het opgelegde vloerelement opnemen. Een 10 millimeter dikke rubber lijnoplegging kan circa vijf millimeter vervormen in twee richtingen. Het opgelegde element mag dus vanaf het moment van montage, ter plaatse van de oplegging, maximaal vijf millimeter langer of korter worden dan wel verschuiven in de overspanningsrichting. Met name in de bouwfase – de constructie is nog niet geïsoleerd en verwarmd – kunnen de bewegingen groter zijn. Bij ter plaatse gestorte liggers en vloeren hebben we bovendien te maken met krimp en kruip. In een groot aantal gevallen zal een bewegingsopname van vijf millimeter dus ontoereikend zijn. In dat geval dient een glijoplegging te worden toegepast. Welke lijnvormige glijopleggingen zijn er op de markt? Wat zijn hun specifieke kenmerken?

Glijvilt
Glijvilt is een haarvilt dat door middel van een grafiet- of een tefloncoating glad wordt gemaakt. In de meeste gevallen wordt het materiaal toegepast in combinatie met een glijplaat. Deze plaat staat in contact met het gladde deel van het glijvilt. De wrijvingscoëfficiënt van glijvilt met grafietcoating bedraagt 0,10 tot 0,16. Vilt dat is voorzien van een laagje teflon heeft een μ waarde van 0,08.
Glijvilten kunnen afhankelijk van het type worden belast tot maximaal 4 N/mm². Realiseert u zich echter dat vilt onder druk hoofdzakelijk plastisch vervormt. Vilt is dus niet geschikt voor constructies waar grote variaties in hoekverdraaiingen voorkomen.

Glijfolie
Glijfolies worden opgebouwd uit verschillende lagen. De kern bestaat in alle gevallen uit twee lagen gladde folie waartussen een vet op basis van minerale olie is aangebracht. Bij toepassing als lijnoplegging is deze kern één- of tweezijdig voorzien van een drukverdelende en egaliserende laag van polystyreen of elastomeer (synthetisch rubber). Om het binnendringen van vuil en water tegen te gaan, zijn de zijkanten van de stroken afgeplakt. Afhankelijk van de samenstelling en de kwaliteit van de toegepaste materialen is de wrijvingscoëfficiënt van glijfolie 0,04 tot 0,10. De maximale oplegdruk van de meest gangbare typen bedraagt 1 tot 4 N/mm². Enkele kwalitatief hoogwaardige glijfolies kunnen worden belast tot 10 N/mm².
De meeste glijfolies kunnen geen of zeer geringe hoekverdraaiingen opnemen. Er bestaan echter ook typen met een smalle rubber kern, die wel in staat zijn om de doorbuigingen van het opgelegde deel op te nemen.

Ongewapend rubber glijoplegging
Dit type glijoplegging kan worden beschreven als een plat hol rubber profiel dat aan de binnenzijde is voorzien van siliconenvet. De maximale glijweg wordt begrensd door de vorm van het profiel en bedraagt ± 25 millimeter. Deze lijnvormige glijoplegging is daarom ook wel bekend onder de naam ‘gelimiteerde glijoplegging’.
De wrijvingscoëfficiënt van de ongewapend rubber glijopleggingen bedraagt slechts 0,03. De maximale belasting is 7,5 N/mm², maar in verband met de invering wordt doorgaans een lager maximum aangehouden. Bij rubber opleggingen is de vervorming vrijwel geheel elastisch. De bouwstof is daarom zeer geschikt voor toepassing in constructies met variabele doorbuiging van het opgelegde bouwdeel.

Welke ervaring heeft u met lijnvormige glijopleggingen?

Lijnopleggingen: vilt of rubber?

Lijnopleggingen zijn bouwstoffen die de opgelegde elementen over hun gehele breedte ondersteunen. Ze worden toegepast om spanningsconcentraties in draagwanden te vermijden. Tevens worden vervormingen van de opgelegde elementen mogelijk gemaakt. In Nederland worden vilt, elastomeer (natuurlijk en synthetisch rubber), glijfolies en combinaties van deze materialen gebruikt  als lijnoplegging. Elk van deze bouwstoffen heeft zijn specifieke eigenschappen. Wat zijn de mogelijkheden van vilt en rubber? Wanneer kiest u voor vilt? Waarom kunt u soms beter een rubber lijnoplegging toepassen?

Vilt
In Nederland bestaat een lange traditie om vilt te gebruiken als oplegmateriaal. Omliggende landen kennen het materiaal daarentegen niet of nauwelijks als constructieve bouwstof. In het verleden werd alle bouwvilt gemaakt van het haar van vee, vooral van runderen. De laatste vijftien jaar zijn veel leveranciers overgestapt naar synthetische vezels van bijvoorbeeld PP (polypropyleen) of PES (polyethersulfon). Alhoewel deze kunststoffen van origine licht van kleur of transparant zijn, wordt vaak een bruin gekleurde vezel gebruikt om het product op haarvilt te laten lijken. De samenhang van vilt wordt verkregen door het vervilten van het haar of – in geval van synthetische vezels – naaldprikken (het maken van ophalen).

Sterk bepalend voor de belastbaarheid van een bouwvilt is de zogenaamde areïeke dichtheid van het product ofwel de massa vezels per volume. Hoe meer vezels, hoe hoger het vilt belast kan worden. Door het vilt te impregneren met een vet- of wasmengsel wordt de maximale belastbaarheid verhoogd. Geïmpregneerd vilt staat bekend als ‘staalvilt’.
De geadviseerde maximale oplegdruk van constructief vilt bedraagt 1 tot 5 N/mm². Bij de maximale belasting wordt het vilt soms tot 50% ingedrukt. Dit is een hoofdzakelijk plastische vervorming. Dat wil zeggen dat vormveranderingen onder druk grotendeels blijvend zijn. Vilt is daarom alleen geschikt voor toepassing in constructies waar nauwelijks horizontale verplaatsingen en variaties in hoekverdraaiingen voorkomen.

Elastomeer
Een elastomeer is een polymeer met rubberachtige eigenschappen en wordt samengesteld uit tien tot twintig ingrediënten. De eigenschappen worden bepaald door de keuze van het soort rubber en de vulkanisatiemethode. De kwaliteit van het oplegmateriaal is afhankelijk van het recept van het rubbermengsel.

De belastbaarheid van een rubber lijnoplegging is hoger dan die van vilt. Voor elastomeer dat niet is getest als oplegging wordt doorgaans een maximum oplegdruk van ca. 5 N/mm² aangehouden. Dit om de indrukking onder permanente belasting beperkt te houden en andere bewegingen mogelijk te maken. De dikte/breedteverhouding is bepalend voor de indrukking. De indrukking van een lijnoplegging van 5 mm dik en 50 mm breed is minder dan 10% van de oorspronkelijke dikte. Anders dan bij vilt is deze vervorming nagenoeg volledig elastisch. Dat betekent dat het materiaal, na het wegnemen van de belasting, vrijwel volledig terugkeert in de oorspronkelijke vorm. De snelheid waarmee dat gebeurt, is afhankelijk van de kwaliteit van het oplegmateriaal. Hoe zuiverder het elastomeer, des te hoger de snelheid van terugveren. Elastomeer is om reden van de elastische eigenschappen zeer geschikt voor het opnemen van wisselende belastingen.

Ook de toelaatbare maximale hoekverdraaiing is afhankelijk van de dikte/breedteverhouding. Een lijnoplegging van bijvoorbeeld 5 x 50 mm kan 20‰ hoekverdraaiing opnemen, een exemplaar van 10 x 50 mm zelfs 40‰. Een rubber lijnoplegging is daarnaast in staat om horizontale verschuivingen van de bouwdelen op te nemen. De van oorsprong rechthoekige doorsnede verandert dan in een ruit. Het maximum wordt bepaald door de dikte van het materiaal. Een 5 mm dikke lijnoplegging kan ca. ± 2 mm verschuiving opnemen, een exemplaar van 10 mm ca. ± 5 mm. Vaste lijnopleggingen kunnen dus in beperkte mate lengteveranderingen van het opgelegde vloerelement opnemen. Bij grote lengteveranderingen dient te worden gekozen voor een glijoplegging. Daarover meer in een volgend artikel.

Wanneer gebruikte u vilt en/of rubber lijnopleggingen? Wat is uw ervaring daarmee?

Neopreen als toverwoord 3; kwaliteit van elastomeer

Onlangs kregen wij een aanvraag voor ‘SBR o.g.’ Het materiaal moest dienen als oplegging van een negentig meter lange brug op acht steunpunten. De toevoeging ‘o.g.’  moest worden gelezen als ‘of goedkoper’ terwijl SBR al het goedkoopste elastomeer is. Nu is geen enkele kwaliteit SBR geschikt voor deze toepassing, maar werd hier een hoog- of een laagwaardige kwaliteit bedoeld? In dit laatste artikel over ‘rubber in de bouw’ zal worden ingegaan op de kwaliteit van elastomeren.

Bezuinigen op bestanddelen
Rubber, roet en weekmakers zijn de voornaamste bestanddelen van een elastomeer. Bij goedkopere soorten wordt bezuinigd op deze ingrediënten. Wordt een deel van het rubber bijvoorbeeld vervangen door vulstof dan heeft dit invloed op de eigenschappen. Met name de treksterkte en de rek bij breuk verminderen sterk. Ook op vulstof valt te bezuinigen. Traditioneel wordt roet gebruikt. Roet is een stof die ontstaat bij een onvolledige verbranding van koolstofhoudende brandstoffen. Wordt het vervangen door andere goedkopere vulstoffen, dan heeft dit vanzelfsprekend weer invloed op de kwaliteit. Minerale oliën (weekmakers) tenslotte worden soms vervangen door afgewerkte olie of bitumen. Los van de gezondheidsrisico’s heeft ook dit uiteraard invloed op de eigenschappen.

Herkennen van kwaliteit
Om de ingrediënten van een elastomeer te achterhalen heeft men zeer specifieke kennis nodig. Een teerlucht verraadt  de aanwezigheid van bitumen, maar voor de precieze samenstelling moet een laboratorium worden ingeschakeld. Hoe krijgt u nu toch het gewenste product voor uw bouwwerk?

Van belang is dat u in zee gaat met een leverancier die u vertrouwt. Deze zal u niet zijn recept geven, maar hij staat wel in voor de geschiktheid voor het beoogde doel. Waarschijnlijk bent u als bouwer ook niet echt geïnteresseerd in de chemische samenstelling. U wilt echter wel weten of  het materiaal kan worden toegepast als bijvoorbeeld een hoogwaardige oplegging of als een trillingsdemper. Een betrouwbare leverancier kan u de specificaties opgeven van zijn product. Een maximale belasting of de treksterkte na veroudering zijn voor u interessante gegevens. Deze zeggen veel meer over de kwaliteit van het product dan ‘SBR’ of ‘Neopreen’.

Neopreen als toverwoord 2; soorten elastomeer en hun toepassingen

Natuurrubber en synthetische rubbers zijn de basis voor de productie van  elastomeer. Momenteel kennen we ruim veertig soorten chemisch verschillende vulkaniseerbare rubbers terwijl er maar één soort natuurrubber bestaat. De meeste soorten zijn ontwikkeld voor speciale toepassingen. In de bouw wordt normaliter gebruik gemaakt van algemeen inzetbare soorten als zelfstandige bouwstof. Dit zijn SBR, chloropreenrubber (CR), EPDM en natuurrubber (NR). In dit artikel wordt ingegaan op de eigenschappen van deze verschillende soorten elastomeren en hun toepassingen.

Natuurrubber (NR) is een op latex (het sap van de rubberboom) gebaseerd materiaal. Qua combinatie van eigenschappen is natuurrubber een ideaal product en staat model voor alle synthetische rubbers. Het kan worden toegepast tussen -40 en + 70 °C. Zonder toevoegingen is het slechts in geringe mate  bestand tegen veroudering en ozon. Natuurrubber is niet bestand tegen minerale oliën en vetten. Toepassingen zijn onder meer trillingdempers en technische artikelen als afdichtingen en slangen.

Styrol-butadien rubber (SBR) is de oudste en meest toegepaste synthetische rubbersoort. Een goede kwaliteit SBR is iets beter dan NR bestand tegen hitte en veroudering. De elasticiteit en koudeflexibiliteit zijn echter geringer. SBR kan gezien worden als goedkoop alternatief van NR. Van SBR worden onder meer instortvoegenbanden en laag belastbare oplegmaterialen gemaakt.

Ethyleen-Propyleen-Terpolymere rubber (EPDM) is in hoge mate bestand tegen zuurstof, ozon en extreme temperaturen. Het materiaal is slecht te verlijmen. EPDM wordt door zijn goede bestendigheid tegen weersinvloeden veel gebruikt als afdichtingsprofiel in buitentoepassingen.

Chloropreenrubber (CR) heeft qua eigenschappen een gemiddeld beeld. Met behulp van toevoegingen kan een zeer goede bestendigheid tegen ozon, veroudering en minerale olie worden verkregen. Vanwege het hoge chloorgehalte is CR vlamdovend. CR wordt onder meer toegepast in brugopleggingen  en stootbuffers.

Bekende elastomeren als butylrubber (IIR) en nitrilrubber (NBR) komen vrijwel alleen voor in samengestelde producten en worden hier daarom niet besproken.

In het laatste deel van dit drieluik zal worden ingegaan op de kwaliteit van elastomeer.

Hoogwaardig oplegmateriaal uit chloropreenrubber