Live
Data

Uitzettingscoëfficiënten bio-based brug

June 20th 2018

De bio-based brug Ritsumasyl wordt gemaakt van vlasvezelepoxy composiet. Voor het goed blijven functioneren van de bio-based brug onder warme en koude omstandigheden is het van belang de uitzettingscoëfficiënten van het materiaal goed in kaart te brengen. Dit is gebeurd door metingen aan dit materiaal uit te voeren bij het Lucht- en ruimtevaart laboratorium van de TU Delft. De metingen zijn uitgevoerd aan een elementaire laag van het materiaal waaruit de laminaten van de brug worden opgebouwd. In een elementaire laag lopen de vlasvezels ingebed in de epoxy in één richting. Deze laag wordt aangeduid als UD-laag (UD = UniDirectioneel), zie figuur hieronder.

Door de oriëntatie van de vlasvezels ontstaat een groot verschil in uitzetting in de lengte- en breedterichting van een elementaire laag. De metingen van de uitzettingscoëfficiënten laten inderdaad een groot verschil in uitzetting zien.
De metingen geven bovendien aan dat het materiaal zich in vezelrichting anders gedraagt bij lage temperatuur dan bij hoge temperatuur. Bij lage temperatuur krimpt het materiaal harder, dan het bij hoge temperatuur uitzet. Dwars op de vezels is dit verschil er niet, maar blijkt het materiaal wel een grote uitzettingscoëfficiënt te hebben. In onderstaande tabel zijn de gemeten waarden samengevat.

In vergelijking met gangbare UD glasvezelepoxy composietmaterialen zijn dit bijzondere resultaten. Het verschil in uitzetting tussen lage en hoge temperaturen in vezelrichting bestaat bij deze materialen niet. Verder is de uitzetting dwars op de vezel gewoonlijk een factor 3 lager. Dit maakt dat bij de bio-based brug extra aandacht gegeven moet worden aan thermische effecten (uitzetten en krimpen).
Gelukkig worden de laminaten van de brug laagsgewijs opgebouwd met meerdere oriëntaties. Dit zorgt ervoor dat de uitzettingsverschillen al enigermate gemiddeld worden. Een veel gebruikt laminaat in de brug is het zgn. quasi-isotrope laminaat. Door de laagjes in 4 richtingen te leggen en bovendien symmetrisch op te stapelen wordt een materiaal verkregen dat zich in alle richtingen min of meer gelijk gedraagt, zoals een isotroop materiaal als b.v. staal doet, vandaar de naam quasi-isotroop of afgekort QI. In onderstaande tabel is de uitzettingscoëfficiënt voor dit QI vlasepoxy laminaat weergegeven.

Zoals blijkt is de richtingsgevoeligheid verdwenen en zijn de verschillen tussen lage en hoge temperaturen kleiner geworden. Toch is er nog steeds een aanzienlijk verschil met glasvezelepoxy dat in dit geval een uitzettingscoëfficiënt van 11,8 x 10-6 K-1 heeft d.w.z. een factor 2,5 lager. Voor het ontwerp van de bio-based brug betekent dit dat de voegbreedtes 2,5 maal groter moeten zijn. Ook zal het opbollen van de brug bij opwarming door de zon groter zijn. Hiervoor worden bij het ontwerp voorzieningen getroffen, zodat de brug bij openen en sluiten hiervan geen hinder ondervindt.