themaHybride beton in een marien milieu7201044themaHybride beton ineen marien milieuDe corrosie van de wapeningbepaalt in grote mate de levens-duur van betonconstructies. Ditbetreft vooral constructies die zichin een marien milieu bevinden endaarbij cyclisch in contact staanmet het zeewater en zich in ofnabij de spatzone bevinden. Is hetaantrekkelijk in dit soort gevallente kiezen voor een hoogwaardigebeschermlaag die een standaard-kwaliteit materiaal omhult enbeschermt? Dit was de vraag diecentraal stond in een afstudeer-onderzoek aan de TU Delft. Alter-natieven voor een specifiekeconstructie aan de kust (eenaanlegsteiger) zijn ontworpen.1Het combineren van uhsb en normaal beton in een aanlegsteigerDe levensduur van mariene betonconstructies wordt onderandere bepaald door de mogelijke indringing van chloriden ensulfaten uit het zeewater. De inwerking van beide stoffen isechter verschillend: daar waar chloriden aanleiding kunnengeven tot corrosie van het betonstaal, werken sulfaten in opcomponenten van de betonmatrix waarbij, door reacties,expansieve stoffen kunnen worden gevormd (fig. 2). Expansie-drukken kunnen het beton doen scheuren of de betondekkingwegdrukken.Constructies in marien milieu worden zwaar op de proefgesteld. Als onjuiste ontwerpkeuzes worden gedaan, kanaanzienlijke schade het gevolg zijn. Deze heeft niet alleeninvloed op de esthetische waarde van het kunstwerk (foto 5) ende beleving van de gebruiker, maar kan ook constructievegevolgen hebben.1) Het in dit artikel beschreven onderzoek is uitgevoerd als afstudeerproject aan de TUDelft, faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, door ir. Nick Waterman. In deafstudeerdercommissie hadden, afgezien van de genoemde co-auteurs, zitting: prof.dr.ir. Joost Walraven (TU Delft) en prof.ir. Aad van der Horst (BAM / TU Delft).Hybride beton in een marien milieu 72010 45scheurscheurscheur-vormingabsorptie (eerste 10 mm) wapeningwatersulfaatwatersulfaatwatersulfaatwatersulfaatCL_CL_prestatietijdgrenstoestand>100%prestatietijdgrenstoestand>100%3451 Voorbeeld van een zogenoemde jettyconstructie: Vopak Horizon FujairahLimitedbron: BAM Infraconsult2 Schematische weergave van de indrin-ging van chloriden in beton (links) eninwendige expansie door sulfaten(rechts) bron: CUR-rapport 1723 Prestatie van een constructie uitge-voerd om tijdens de ontwerplevens-duur door alleen regulier onderhoudte blijven voldoen aan prestatie-eisen4 Prestatie van een constructie uitge-voerd om tijdens de ontwerplevens-duur door onderhoud/renovatie teblijven voldoen aan prestatie-eisen5 Door onjuiste ontwerpkeuzes kanaanzienlijke schade het gevolg zijnfie?n die kunnen worden gevolgd:1 De constructie wordt zodanig ontworpen dat de prestatievan het kunstwerk acceptabel blijft tijdens de gehele levens-duur (fig. 3). Aangezien het voor een ontwerper moeilijk isin te schatten op welke wijze het constructieve gedrag vaneen kunstwerk zal veranderen tijdens de levensduur, zal dezemethode vaak tot overdimensionering leiden;2 De constructie wordt (indien nodig) tijdens de levensduuropgewaardeerd door (meer dan regulier) onderhoud of,ingrijpender, door renovatie of lokale versterking (fig. 4). Naverloop van tijd neemt de constructieve prestatie weer af. Deefficiency van deze methode beoordelen vraagt om hetsommeren van de verwachte onderhoudskosten.Welke methode is het aantrekkelijkst? Overdimensioneren eneenmalig een grote investering doen of de initi?le investeringbeperken en regelmatig bedragen vrijmaken voor groot onder-houd/renovatie? Uit de inleiding is gebleken dat de duurzaam-ir. Nick Waterman1)dr.ir.drs. Ren? BraamTU Delft, fac. CiTG / Adviesbureauir. J.G. Hageman BVir. Jeannette Bouwmeester ?van den BosTU Delft, fac. CiTG / BAMInfraconsultDe betondekking is een eerste buffer tegen de indringing vanchloriden en sulfaten. Problemen kunnen ontstaan als debetondekking te klein wordt gekozen of als tijdens de uitvoe-ring onvoldoende zorg wordt besteed aan, bijvoorbeeld, hetnabehandelen. Het gevolg is een te kleine en/of kwalitatief laag-waardige betondekking. Chloriden en sulfaten kunnen hier-door makkelijker het beton binnendringen en de constructieaantasten. De aanwezigheid van scheuren kan de indringpro-cessen verder versnellen.Het gevolg kan zijn dat een constructie tijdens de ontwerple-vensduur meer dan normaal regulier onderhoud vraagt en zelfszodanig kan worden aangetast, dat de constructieve veiligheidin het geding is.Ontwerpfilosofie?nVanuit het oogpunt van de duurzaamheid van de constructie,zijn er tijdens het ontwerpproces grofweg twee ontwerpfiloso-2themaHybride beton in een marien milieu7201046f,crverplaatsingstrain hardeningelastisch gedragstrain softeninghoogwaardigvezelbeton (uhsb)conventioneelvezelbetonongewapend betonscheurvormingtrekspanning6 76 Schematische weergave van despanning ? verplaatsingrelatie vanop trek belast ongewapend betonen staalvezelbeton, afhankelijk vanhet vezelgehalte [2]7 Rechts de scheurverdelende wer-king van staalvezels toegevoegdaan beton met betonstaal [6]8 Invloed van de hoek tussen delengte-as van de vezels en hetscheurvlak op de buigtreksterktevan vezelbeton [2, 3, 5]9 Geschematiseerde spanning-rekre-latie van staalvezelbeton onder trekCase studyIn samenwerking met BAM Infraconsult is het onderzoekverricht met als doel de haalbaarheid van de toepassing tebepalen. De haalbaarheid van het hybride concept is onder-zocht voor een zogenoemde jetty constructie (foto 1). Hetbetreft een grote steigerconstructie voor de aan- en afvoer vanolie en aardgas. Hierbij is het hybride concept vergeleken metde traditionele wijze van uitvoering. De ontwerpberekeningenhebben betrekking op zowel de sterkte (UGT) als de scheur-wijdte (BGT). Hierbij is de focus gelegd op de moment- endwarskrachtcapaciteit en mogelijke faalmechanismen. Tenslotte is gekeken naar de economische haalbaarheid van hethybride concept.Om dit mogelijk te maken, zijn de constructieve uitgangspun-ten geformuleerd. Hiertoe is onderzoek gedaan naar de materi-aaleigenschappen van uhsb, waarbij onder andere een modelvoor de treksterkte is afgeleid.Ultra-hogesterktevezelbeton; eigenschappenAlgemeenUHSB bevat onder andere staalvezels waardoor de taaiheid vanhet materiaal verbetert en de (buig)treksterkte aanzienlijktoeneemt. Conventioneel beton vertoont brosse breuk zodrahet onder trek wordt belast. De aanwezigheid van de staalvezelsin uhsb zorgt ervoor dat zowel micro- als macroscheurenworden overbrugd en scheurvorming geleidelijk ontstaat.DoorlatendheidAan de TU Delft is een onderzoek gedaan naar de penetratievan chloriden in verschillende betonsterktes [1]. Tot twee jaarna blootstelling aan een zoutoplossing waarmee expositie aanzeewater is gesimuleerd, gebruikmakend van een kunstmatigsterk verhoogd zoutgehalte, zijn het chloridengehalte en depenetratiediepte bepaald.heidsproblematiek in een marien milieu zich soms beperkt totde buitenhuid van de constructie. Is het mogelijk de initi?leinvestering te beperken door meer te investeren in de buiten-huid en de rest van de constructie traditioneel uit te voeren?Hoogwaardig betonNa de opkomst van het hogesterktebeton circa 20 jaar geleden,zijn steeds hogere sterkteklassen bereikt; het ultra-hogesterkte-beton reikt al tot druksterkten van 200 N/mm2. De toenemendebrosheid onder druk vraagt om de toepassing van staalvezels,waardoor bij bezwijken op druk geen explosief bezwijkbeeldoptreedt. Door het toepassen van vezels verandert niet alleenhet gedrag onder druk, maar wordt ook een materiaal verkre-gen dat onder trek een taaier gedrag vertoont; het materiaalheeft een zekere na-scheursterkte waardoor scheurwijdtenbeperkt kunnen blijven.Geleidelijk verschuift de aandacht van het aspect "sterkte" enkrijgen deze betonsoorten de benaming "hoogwaardig". Het isniet zozeer de druksterkte waarop de nadruk ligt, maar hettotaalgedrag van eigenschappen waarvan sterkte er slechts eenis; ook duurzaamheid en ductiliteit spelen een rol.Onderwerp van het onderzoekDe beschikbaarheid van hoogwaardig beton heeft de vraagopgeworpen of een hybride concept mogelijk is: Is het aantrek-kelijk ultra-hogesterktevezelbeton (uhsb) met normaal beton(nb) zodanig te combineren dat de eigenschappen van beidematerialen optimaal worden benut en is dan een economischaantrekkelijk alternatief verkregen?Om de onderzoeksvraag af te bakenen is het marien milieu alsuitgangspunt gekozen, meer in het bijzonder een `near shorejetty' (aanlegsteiger).Hybride beton in een marien milieu 72010 47N Nulybuigsterkte[N/mm]doorbuiging [mm]matrix zonder vezels22,5?0?45?67,5?90?00,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6510152025303540450fctdfctdspanningrekTreksterkteUit het voorgaande is te concluderen dat de trekspanning diehet materiaal in het gescheurde stadium kan overdragen, medeafhangt van de vezels. De sterkte wordt dan ook bepaald doorde zogenoemde vezeleffici?ntie in het mengsel, waarin devolgende aspecten een rol spelen:1 de ori?ntatie van de vezels in de matrix (fig. 8);2 de hoeveelheid/verdeeldheid in de matrix (clustering);3 de mate van frictie tussen de vezels en het beton;4 het type vezels dat wordt toegepast (kort, lang, vervormd ofeen combinatie).Zonder experimenteel onderzoek is het dan ook lastig om ietsover de treksterkte van uhsb te zeggen.ModeltreksterkteOmdat experimenteel onderzoek geen onderdeel vormde vanhet afstudeeronderzoek is binnen het onderzoek een aangepastmodel voor de treksterkte (fig. 9) bepaald, waarvan in deontwerpfase gebruik kan worden gemaakt. Deze methode isvervolgens geverifieerd aan de hand van onderzoeksresultatenbeschreven in [2-4].Gebleken is dat de penetratie van chloriden in uhsb minimaalis. Na een expositieperiode van twee jaar kon bijna geen pene-tratiediepte worden vastgesteld. Daarom is 3 mm aangehouden.Bij een normale sterkte beton C35/45 was dat onder dezelfdecondities circa 80 mm; voor een hogesterktebeton C90/105circa 10 mm. Een buitenschil van uhsb is dus als het ware eenbeschermende laag rond de constructie, waardoor een duur-zaam geheel wordt verkregen.ScheurvormingDe scheurvorming onder uni-axiale trek is voor verscheidenetypen beton weergegeven in figuur 6 en foto 7. Uit dit diagramis af te leiden dat de eerste zichtbare scheuren in uhsb lateroptreden in vergelijking met nb. Hierdoor heeft het materiaaleen grotere elastische fase, wat wordt veroorzaakt door deaanwezigheid van de staalvezels. Deze staalvezels overbruggende microscheuren in de eerste fases onder trekbelasting. Bij hettoenemen van de trekbelasting zullen verschillende micro-scheuren samen een macroscheur vormen. Deze scheurenkunnen over de totale hoogte van de constructie optreden. Innb zal de trekcapaciteit van het beton direct terugvallen naarnagenoeg nul als een macroscheur ontstaat. Voor uhsb is detrekcapaciteit dan nog lang niet bereikt, aangezien de langerestaalvezels dankzij de grotere aanhechtlengte in staat zijn demacroscheuren te overbruggen (`strain hardening'). Ook na hetbereiken van de maximale trekspanning gaat de capaciteit nietdirect terug naar nul, maar neemt geleidelijk af; de zogenoemde`strain softening' fase. In deze fase neemt de scheurwijdte welis-waar toe, maar wordt het proces vertraagd door de weerstandvan de vezels. Door de ductiliteit van uhsb is er dus sprake vaneen beheerst proces van scheurontwikkeling.89themaHybride beton in een marien milieu72010483600C25/30C18017511002003600C25/30C180175110020010 Dwarsdoorsnede van de jetty-constructie uit decase-study11 Dwarsdoorsnede van de kesp met rekverdelingen doorsnedekrachten in de uitvoeringsfase12 Dwarsdoorsnede van de kesp met rekverdelingen doorsnedekrachten in de gebruiksfase1 Door de lage doorlatendheid vormt het een natuurlijke barri-?re tegen invloeden uit de zee, waardoor de levensduur vande constructie wordt verlengd.2 Het geeft een betere scheurverdeling en maakt daardoor descheurwijdte beter beheersbaar.3 Door de grote sterkte van het materiaal (zowel onder drukals op trek) neemt de capaciteit van de doorsnede toe, watkan leiden tot kleinere dimensies en een reductie van debenodigde hoeveelheid wapeningsstaal.Om de haalbaarheid van het concept aan te tonen, is een case-study uitgevoerd op een jetty-constructie. Binnen dezeconstructie is de focus voornamelijk gelegd op de betonnenkespen die over de stalen buispalen worden geplaatst (foto 1).De onderzochte kespen hebben een lengte van circa 13,4 m eneen breedte van 3,6 m. De hoogte bedraagt 1,1 m. De totaledoorsnede is weergegeven in figuur 10. De constructie bestaatuit een geprefabriceerd U-profiel (C180) met een kern die inhet werk wordt gestort (C25/30). Behalve het eigen gewicht zijnbelastingen op het platform, belasting door piping en uitrus-ting, verkeersbelastingen en belasting door frictie in rekeninggebracht. Vervolgens is de situatie tijdens de uitvoering (fig. 11)(hijsen van de kesp en het storten van de kern) en in degebruiksfase (fig. 12) onderzocht.Uit het onderzoek blijkt dat tijdens het transport geen wape-ning in het U-profiel benodigd is. In de uiteindelijke fase is terplaatse van de steunpunten wapening aan de bovenzijde beno-digd. Ook dwarskrachtbeugels om de samenwerking tussen hetuhsb en het nb te waarborgen blijken overbodig. Vervolgens iseen aantal faalmechanismen onderzocht. Hierbij blijkt dat dekern kan losscheuren van het U-profiel door vervormingsver-schillen, bijvoorbeeld krimpverschillen tussen beide materia-len. Het vervormingsverschil tussen de hoogwaardige buiten-schil en de in-situ kern leidt dan tot te hoge spanningen doorverhinderde vervorming. Om de samenwerking van de totaleconstructie te waarborgen, is er toch voor gekozen om beugelsin de doorsnede te plaatsen.KostenEen inschatting is gemaakt van de stichtingskosten van hethybride concept, omdat zoals eerder is aangegeven de materi-aalkosten van uhsb circa vier keer zo hoog zijn als die van nb.Uit deze vergelijking blijken de vervaardigingkosten nagenoeggelijk te zijn aan die van de traditionele methode.Allereerst is op basis van reeds uitgevoerd onderzoek eenwaarde voor de treksterkte fctdgekozen. Dit geeft een waardevoor het einde van de `strain hardening' fase. Op het momentdat fctdis bereikt, valt de treksterkte terug naar een constantplastisch sterkteniveau, in de figuur aangegeven met fctd. Dezogenoemde `softening factor' beschrijft de oppervlakteonder de grafiek vanaf het eind van de `strain hardening' fasetot het punt waar de uiteindelijke rek wordt bereikt. Voor deuiteindelijke rek is een waarde van 25 aangehouden conformRILEM en CUR-Aanbeveling 111.Binnen het onderzoek is voor fctk,0,05een waarde van 9,0 N/mm2aangehouden. Op basis van de Eurocode volgt hieruit een trek-sterkte fctdvan 6,0 N/mm2. Dit geeft vervolgens een waardevoor fctdvan 3,0 N/mm2( = 0,5).Ter volledigheid zijn in tabel 1 de gevonden waardes van deoverige onderzoekers weergegeven. Hieruit kan worden gecon-cludeerd dat de gepresenteerde methode vrij conservatief is.Hybride conceptDe materiaalkosten van uhsb zijn circa vier keer zo hoog als dievan nb. Om die reden is gekeken naar de haalbaarheid van eenhybride constructie bestaande uit een buitenlaag van uhsb eneen kern van nb. Het uhsb wordt om de volgende redenen in debuitenlaag geplaatst:10Hybride beton in een marien milieu 72010 49b ?b1 ?b1h?h1h-xuxuz1xuN'cNcbb+ hz1N'cNc?b1 ?b1?h1h-xuxuxuvloeiende gewichtsreductie kan resulteren in een versneldeuitvoering en/of het gebruik van lichter en dus goedkopermaterieel.Aangeraden wordt om tijdens het ontwerpproces te bedenkenin hoeverre de afmetingen van de constructie wordenbegrensd door bepaalde randvoorwaarden. In dit onderzoekbleek de stalen paalfundering leidend waardoor vergaandeoptimalisatie niet mogelijk was. Verwacht wordt dat een goedekeuze van het gebruik van het hoogwaardige materiaal incombinatie met het type constructie kan leiden tot verdereoptimalisatie. Daarnaast zal experimenteel onderzoek nogmeer inzicht in het gedrag van het materiaal uhsb geven. Dezeontwikkelingen zouden dan vervolgens kunnen leiden tot eenrekenstandaard voor uhsb die in de regulieren betonvoor-schriften wordt opgenomen. Het hybride concept leidt om verscheidene redenen tot lagerelife cycle kosten.1 De kosten voor het onderhoud tijdens de levensduur van hethybride constructie-onderdeel zijn beperkt. De hogere weer-stand tegen omgevingsinvloeden (en de gevolgen daarvanvoor de onderhoudskosten) is niet meegenomen in dekosteninschatting.2 De verwachting is dat de vervaardigingskosten van hethybride concept nog (aanzienlijk) kunnen dalen naarmate ermeer bekend is over de eigenschappen van uhsb. Dit omdatnu nog gebruik is gemaakt van een conservatief model.Experimenteel onderzoek zou tot een hogere rekenwaardevan de treksterkte kunnen leiden dan nu aangehouden.3 Het type constructie legt bepaalde randvoorwaarden aanonderdelen op, waardoor verdere optimalisatie niet mogelijkis. Zo kon bijvoorbeeld niets worden gewijzigd aan debreedte van het constructie-onderdeel, aangezien de paalfun-dering leidend was.Conclusies en aanbevelingenSamenvattend vormt het hybride concept voor de onderzochtemariene constructie een aantrekkelijk alternatief; de vervaardi-gingkosten van het hybride concept zijn nagenoeg gelijk aandie van het traditionele concept. Aanvullend kunnen de onder-houdskosten mogelijk (sterk) worden gereduceerd. Ook kanhet concept uitvoeringstechnisch gezien aantrekkelijk zijn,aangezien de hogere sterkte van uhsb slanker en lichterconstrueren mogelijk kan maken. De hier mogelijk uit voort-Tabel 1 Parameters in de spanning-rekrelatie volgens figuur afgeleid uit onderzoeksresultatentreksterktefctd[N/mm2]softeningfactortreksterkte in plastischgebied [N/mm2]Jungwirth 6,00 0,91 5,45Yuguang 7,00 0,63 4,40AFGC 6,00 0,80 4,80model 6,00 0,50 3,00 RefeReNties1 Braam, C.R., Chloride penetration. Innoconcrete/ Eureka report WP 3.2, T.U. Delft, 2006.2 Jungwirth, J., Zum Tragverhalten von zugbean-spruchten Bauteilen aus Ultra-hochleistungsfa-serbeton. Lausanne, 2006.3 Yuguang, Y., Bending behavior of a high perfor-mance concrete overlay on an orthotropic steeldeck. Afstudeerrapport TU Delft, 2007.4 AFGC: Ultra High Performance Fiber-ReinforcedConcretes ? Interim Recommendations. Asso-ciation Fran?aise de G?nie Civil, Lyon, 2002.5 Markovi, I., High-Performance Hybrid FiberConcrete ? Development and utilization. Disser-tatie, TU Delft, 2006.6 Li, V.C. & Lepech M., General design assumpti-ons for engineered cementitious composites.Workshop on HPFRC, 2005, Honolulu, Hawaii1112Extra online5201050extra onlineAanpasbarewaterkeringenZwemmen in de AmstelArtikelen onlineOm u als lezer nog meer interessants te bieden, publiceert het vakblad Cementextra artikelen online. Op deze pagina een korte samenvatting van deze artike-len. Ze zijn volledig te raadplegen op www.cementonline.nl.dr.ir. Bianca StalenbergARCADIS / TU Delft, faculteit CiTGKlimaatverandering en economi-sche ontwikkelingen hebben ervoorgezorgd dat het huidige systeem vanwaterkeringen in diverse Neder-landse Rijnsteden moet wordenverbeterd. Tegelijkertijd zijn stede-lijke rivierfronten onderhevig aantrends en wensen van lokale bevol-king en beleidsmakers. De vanoudsher strikte scheiding tussenwaterkering en stedelijke functies isin het steeds verder ontwikkeldeNederlandse landschap moeilijk tehandhaven. Het AFD-concept(Adaptable Flood Defences) biedtwellicht een oplossing.Bianca Stalenberg is in september2010 gepromoveerd op het onder-zoek naar dit AFD-concept. Dekracht van het concept is dat hetmogelijkheden cre?ert voor deherontwikkeling van een stedelijkrivierfront bij gelijktijdige verbete-ring van de waterkering. Het AFD-concept bestaat uit twee kenmerken,te weten `multifunctionaliteit' en`aanpasbaarheid'. Hierdoor kan reke-ning worden gehouden met econo-mische ontwikkelingen en klimaat-verandering. Amsterdam heeft een primeur: heteerste drijvende zwembad vanNederland. Het zogenoemdeBadBuiten bestaat uit vijf lossebetonnen casco's. Twee daarvan zijntraditioneel gestorte betoncasco's.Drie zijn omgekeerde betonnenbakken op een EPS-drijflichaamSamen bieden ze behalve aan hetzwembad van 18 x 5 x 1,5 m, ruimteaan installaties, terras, bar, toiletten,douches en kleedhokjes.De twee traditionele casco's zijngebouwd door een aannemer diegewend is funderingen voor woon-arken te bouwen. Ze zijn in eendroogdok gebouwd en over hetwater getransporteerd naar Amster-dam. In totaal is 450 ton beton en18 ton wapening toegepast.Belangrijkste uitdaging was de stabi-liteit. Voorkomen moest wordendat het zwembad zou gaan bewegenbij langsvarende boten. Ook destabiliteit bij ongelijkmatige belas-ting, bijvoorbeeld wanneer eengrote groep mensen aan ??n kantgaat staan, is goed onderzocht.Initiatiefnemer van het zwembad isWaternet. Het waterbedrijf wil methet project aandacht vragen voorschoon oppervlaktewater en eenschone leefomgeving. CementonlineHet volledige artikel is te lezen opwww.cementonline.nl.CementonlineHet volledige artikel is te lezen opwww.cementonline.nl.Het drijvende zwembad kan indien nodig van locatie wijzigenUit onderzoek blijkt dat synergie mogelijk is tussen stedelijke functiesen waterkeren in een stedelijk rivierfront zoal de Waalkade in Nijmegen