Krachtswerking ana?robetank1 2011 | onlineonlineKrachtswerkingana?robetankStudie naar ana?robetank en selector voor RWZI BeverwijkHet afstudeerwerk bestond uit een bureaustudie van de bereke-ning van een ana?robetank en selector in de rioolwaterzuive-ringsinstallatie van Beverwijk. De ana?robetank en selectorworden gebouwd in het kader van de capaciteitsvergroting vande RWZI. De ana?robetank en selector zijn aan elkaar vastgebouwd; de globale afmetingen bedragen (l x b x h): 46,7 m x11,8 m x 7 m. Vanwege plaatsgebrek op de locatie is gekozenvoor een rechthoekige vorm met een betrekkelijk grote hoogte.Het bouwen van vloeistofdichte betonconstructies die wordenblootgesteld aan een agressief medium vergt de nodige kennis vande fysische en chemische eigenschappen van beton. Kennis van(beton-)mechanica is bij het ontwerpen van dergelijke constructiesvan cruciaal belang; de krachtswerking wordt door meer factorenbe?nvloed dan door de vloeistofbelasting alleen. Een uiteenzettingvan de problematiek aan de hand van een afstudeerwerk.Krachtswerking ana?robetank 22011 | online1 Plattegrond van deana?robetank en selectorProcesbeschrijvingIn een ana?robetank wordt afvalwater door middel van eenbacteriecultuur ana?roob (= in een zuurstofarme omgeving)gezuiverd. Deze bacteriecultuur huist in zuiveringsslib (actiefslib), dat indien nodig wordt bijgemengd in de ontvangput vande ana?robetank via de bypassleiding (fig. 1). Vanaf deontvangput loopt het afvalwater over een regelschuif in deana?robetank. Het afvalwater loopt over overloopschuiven enkomt ten slotte via een afsluitbare overloopschuif in de selectorterecht.In de selector is de stroming van het afvalwater gelijkmatig overde hoogte (de doorlaten van de selector zijn verticaal en niet inde vorm van een overlaat), zodat de vorming en ophoping vanlichtslib wordt voorkomen. Via de aflaatput verlaat het gezui-verde afvalwater de selector.Tegen de selector zitten drie `putten', die een aantal belangrijkefuncties hebben. E?n van de drie putten is al genoemd: deaflaatput. De middelste van de drie putten is het verdeelwerkvoor retourslib; hiermee kan in de verschillende fasen van hetzuiveringsproces in de ana?robetank of selector actief slibworden toegevoegd, om de omzetting van de afvalstoffen tebevorderen cq. op gang te houden. De rechterput is de kort-sluitput; via deze put kan actief slib door de bypassleidingworden bijgemengd in de ontvangput van de an?erobetank of,andersom, kan de ana?robetank worden omzeild. De bypasslei-ding kan dus in twee richtingen worden gebruikt. Tevens zijner regelschuiven aangebracht om de ana?robetank ?n de selec-tor beide te omzeilen (ontvangput ? bypassleiding ? kortsluit-put ? verdeelwerk retourslib ? aflaatput).OnderzoeksopzetIn dit afstudeerwerk is het constructieve ontwerp van deana?robetank en de selector uitgewerkt. Er is gewerkt vanuiteen variantenstudie; voor de verschillende constructie-onder-delen is een aantal varianten beschouwd. Met behulp van een`trade-off' (`uitruil'; red.) worden ontwerpkeuzes gemaakt; hetfinanci?le aspect is vaak leidend, maar niet altijd maatgevend.Centraal in dit afstudeerwerk stond het thema `vloeistofdichtbeton', waarmee direct een beperking werd opgelegd aan hetaantal te kiezen varianten. De vloeistofdichtheid van deconstructie wordt verzorgd door een dichte betonschil en nietdoor een betonnen kuip met een vloeistofdichte bekleding(`lining'). De variantenstudie is uitgewerkt tot op VO-niveau;hierdoor is niet alleen de haalbaarheid van een ontwerpkeuzegecontroleerd, maar zijn ook de financi?le en constructieveconsequenties voor de overige ontwerpkeuzes in beeldgebracht.Na de trade-off en het maken van de definitieve ontwerpkeuzeis de gehele constructie per constructie-onderdeel ontworpentot op DO-niveau. Een aantal kritische details is naderbeschouwd.UitwerkingBij de uitwerking van het constructieve ontwerp zijn de destijds`nieuwe' voorschriften gebruikt: de berekeningen zijn gestoeldop de Eurocodes. Deze keuze biedt een aantal voordelen,omdat in de Eurocode een aantal onderwerpen verder wordtuitgelicht dan in de NEN-normen, terwijl andere onderwerpenmeer ontwerpvrijheid geven.De dimensionering van wanden en vloer heeft plaatsgehad opdwarskrachtcapaciteit (volgens de Eurocode), zowel voor watbetreft de wanden als de vloer en het dek. Bij de dimensione-ring op dwarskrachtcapaciteit van de constructie-onderdelen istevens rekening gehouden met de trekspanningen in deconstructie, die ontstaan als gevolg van de alzijdige vloeistof-druk.ing. Bart Hendrix PMSE 1)Rijkswaterstaat Dienst InfrastructuurENCI Studieprijs (5)Dit is het vijfde artikel in een seriemet bijdragen van prijswinnaarsvan de ENCI Studieprijs 2010. Hetonderzoek dat in dit artikel wordtbeschreven kreeg een eervollevermelding in de categorie PMSE.1) Deze case-study is tot stand gekomen als afstudeerwerk ten behoeve van hetafleggen van de Meesterproef voor de opleiding Betonconstructeur BV van deBetonvereniging. De afstudeerbegeleider was ing. Niek Kaptijn (adviesbureauHageman). In de dagelijkse constructeurspraktijk is een variant van dezeconstructie uitgewerkt. Interesse in de materie en nieuwsgierigheid of het ontwerpanders (lees: effici?nter) kon, leidde tot de keuze voor dit onderwerp en thema.1Krachtswerking ana?robetank3 2011 | onlineonlineSBI bekistingssysteem2x staalplaat t=2mmmet ge?ntegreerd voegen-band en oplegstrip.dilatatievoegenbandkitvoeg op rugvullingstortvoeg2 Aansluiting wand-vloer bijde uitgewerkte variant3 Toelaatbare scheurwijdtevoor doorgaande scheureni.v.m. waterdichtheid [1, 2]methode uit [2]. De gemiddelde temperatuurstijging levert eenverlenging of verkorting, de lineaire temperatuurverdelinglevert een kromming = T ? c/ h en de eigentemperatuurlevert eigenspanningen in de doorsnede. De buigende momen-ten door verhinderde kromming worden dan berekend metM = ? ? EI voor tweezijdig ingeklemde delen ofM = ? 1,5 ? ? EI voor enkelzijdig ingeklemde delen. Dezemomenten worden in de wapeningsberekening ingevoerd. Denormaalrek (verlenging of verkorting) ten gevolge van degelijkmatige temperatuurverandering wordt meegenomen bijde scheurwijdtecontrole. De rekken leveren inwendigenormaalkrachten op wanneer deze worden verhinderd; dezezijn in de berekeningen meegenomen.De temperatuurspanningen die ontstaan door hydratatie-warmte kunnen leiden tot scheurvorming in jong betondoordat de doorsnede ten gevolg van het hydratatieprocesopwarmt; dit levert spanningen op in de doorsnede. Vervolgensgaat het hydratatieproces steeds langzamer, waardoor er geenwarmte meer wordt geproduceerd en de doorsnede weerafkoelt; er ontstaan trekspanningen aan de buitenzijde van dedoorsnede, omdat deze sneller afkoelt dan de binnenzijde. Derekken ter hoogte van de wapening worden bepaald aan dehand van het maximale temperatuurverschil tussen de kernvan de doorsnede en de wapening tijdens het afkoelen; deze rekwordt vervolgens meegenomen tijdens de scheurwijdtecon-trole.KrimpbelastingDe belastingen door krimp vallen uiteen in een verschilkrimp,door een verschillend tijdstip van bouwen, en in een krimpgra-di?nt, doordat de constructie aan ??n zijde constant nat is enaan de andere zijde wordt blootgesteld aan de buitenlucht. Deverschilkrimp wordt bepaald aan de hand van het verschil inouderdom van het beton op het moment van storten van hetjongste element. De krimpgradi?nt wordt als een equivalentetemperatuurbelasting in rekening gebracht in de vorm van eenadditioneel buigend moment.De items die in de variantenstudie naar voren kwamen:- Bouwen op maaiveld, half verzonken of geheel onder maai-veld?- Voorspanning, ja of nee?- Paalfundering: keuze paaltype- Vloer: vlakke plaat, ribbenvloer of balkroostervloer?- Aansluiting vloer-wand: monoliet ingeklemd, scharnierendof hollewandsysteem?- Dek: breedplaatvloer of massieve vloerplaat (prefab) metdruklaag?Met deze alternatieven zijn drie ontwerpvarianten geschetst,die werden uitgewerkt tot VO-niveau. Vervolgens werd eentrade-off uitgevoerd op deze varianten aan de hand waarvanhet definitieve ontwerp werd bepaald.Vanuit de trade-off is gekozen voor een balkenvloer opFundex-combinatiepalen met losse wanden (scharnierendeverbinding) en een dek van MVP-elementen met een druklaag.De wanden staan op oplegrubbers, die in twee rvs-platen zijngevat om te zorgen voor een oplegging met een gelijkmatigekrachtsinleiding (fig. 2). De vloeistofdichtheid van de aanslui-ting vloer-wand wordt gerealiseerd door een stortvoegenbandSchrumpf BI 32 o.g.TemperatuurbelastingenDe temperatuurbelastingen (zowel tijdens verharding als in degebruiksfase) zijn uitgewerkt aan de hand van de theorie van[1] en [2] en de invloed van krimp in de diverse verschijnings-vormen is uitgewerkt aan de hand van de Eurocode. De tempe-ratuurbelastingen vallen uiteen in twee categorie?n: tempera-tuur uit de omgeving en temperatuur door hydratatie (inwen-dig).De temperatuur uit de omgeving levert twee extreme gradi?n-ten op ten gevolge van de temperatuur van het influent en debuitentemperatuur (zomer-winter), de maximale T over dedoorsnede bedraagt in de zomer 46 ?C (binnen koel en buitenwarm), in de winter -37 ?C (binnen warm en buiten koel). Dezegradi?nten kunnen dan worden opgedeeld in drie delen: eengelijkmatige temperatuurverandering, een lineaire verdelingover de doorsnede en een eigentemperatuur, volgens de2Krachtswerking ana?robetank 42011 | onlineIn het geval van scheurvorming is er nog de mogelijkheid van`self-healing', waarbij scheuren dichtgroeien door voortschrij-dende hydratatie en afzetting van deeltjes.Onder de voorwaarden dat de scheur stabiel is, de stroomsnel-heid in de scheur gering is en de vloeistof geen uitlogende eigen-schappen bezit, kunnen de scheuren nog dichtgroeien, mits descheurwijdte binnen de in figuur 3 aangeduide grenzen blijft.Meichsner hanteert een wat `soepeler' grens dan Lohmeyervoor de maximaal toelaatbare scheurwijdte in relatie tot self-healing (fig. 4). De in de NEN-EN 1992-1-1 en in het bijzonderin NEN-EN 1992-3 gehanteerde grens voor vloeistofdichtheidmag worden ge?nterpoleerd tussen wk= 0,1 mm en wk= 0,2mm. Voor deze constructie is de maximaal toelaatbare scheur-wijdte wk= 0,155 mm.De wapening wordt bepaald door alle belastingen op de door-snede te combineren zoals hierboven opgesomd: buigendemomenten door vloeistofbelasting, temperatuur en krimpgra-di?nt; normaaltrekkracht door vloeistofbelasting; rek tengevolge van verhinderde krimp (hydratatiewarmte).Uit een doorsnedeberekening met een aangenomen wapeningvolgt de drukzonehoogte (controle op vloeistofdichtheid) eneen staalrek (duurzaamheid en scheurwijdte). Wanneer wordtvoldaan aan de scheurwijdte-eisen, is de wapeningsconfiguratieakkoord.De scheurwijdteberekening wordt gedaan aan de hand van hettrekstaafmodel, waarmee additionele rekken en lange-duuref-fecten eenvoudig kunnen worden meegenomen.Onvoltooid scheurenpatroonwk=k_____8 . 2.1__Es. fctm. (1 + e)Voltooid scheurenpatroonwmax=k____4 . .1__Es. {s?1__2.fctm___. (1 + e)}RekenexercitieMet behulp van het eindige-elementenpakket Scia Engineer isde krachtsverdeling in de wanden ten gevolge van de vloeistof-belasting bepaald, waarbij speciale aandacht is geschonken aande oplegcondities. Immers, vooral bij de wanden die naast descheidingswand tussen de ana?robetank en de selector zitten,kan het inklemmingsgedrag afwijkend zijn van een zuivereinklemming. Is de constructie geheel gevuld, dan is er overalsymmetrie qua vervorming en zijn de inklemmingen praktischzuiver. Wanneer de ana?robetank vol is en de selector leeg,gedragen de wanden rondom de scheidingswand zich slappervanwege de niet-verhinderde vervorming. Hiermee is rekeninggehouden in de berekening door met de rotatieveerstijfhedente vari?ren.Invoergegevens voor de berekeningtoegepaste betonsterkteklasse: C30/37 (minimaalvolgens Eurocode en [1])toegepast cement: CEM III/B 42,5 N LH pluscementgehalte: min. 340 kg/m?water-cementfactor: max. 0,45betondekking: 40 mmreferentieperiode: 50 jaarmilieuklasse: XA2 (binnen, agressief milieu)XD1, XS1 (buiten)vloeistofhoogte: 6,265 m (gebruiksfase)6,715 m (calamiteit, vervolgensoverloop)Vloeistofdichtheid van de constructie is gegarandeerd wanneer:? de constructie ongescheurd is ?f? de constructie geen doorgaande scheuren heeft ?n hx 50mm ?n hx 2 x de maximale korreldiameter van het toeslag-materiaal ?n hx 0,2 h ?f? de constructie doorgaande scheuren heeft en de scheurwijdtevoldoet aan de eisen van de tabel in figuur 3: hd/ hw=> 6,265m / 0,4 m = 15,7 > 5; hieruit volgt: berekende scheurwijdtewcrit= 0,1 mm.3Krachtswerking ana?robetank5 2011 | onlineonlineBruikbaarheid voor de praktijk; conclusies enaanbevelingenDe hierboven gehanteerde methode is voor de praktijk nogalbewerkelijk: vooral de doorsnedeberekening en de invoer vande gegevens in de Maple- en Excelsheets vergen veel tijd. Ookhet vari?ren met de wapeningsconfiguraties levert veel hoofd-brekens, omdat het wenselijk is de wapeningsstramienen voor??n wand bij voorkeur gelijk te houden, zodat e.e.a. overzichte-lijk is bij het uittekenen en vlechten van de wapening. De wape-ningsberekening kan wat dat betreft nog worden gestroomlijnddoor het werken met een doorsnedeberekeningsprogramma(bijvoorbeeld DBet).Het gekozen concept (wanden los van de vloer) is zonder meertoepasbaar, maar vergt een nauwkeurige detaillering van dewapening in de vloer en aan de onderzijde van de wand. Doortoepassing van een bekistingssysteem (type SBI o.g.) is dedetaillering van de oplegging van de wanden op de vloereenvoudiger te realiseren. De scheurwijdte met inbegrip van het effect van krimpeffectenis dan:wmax=k____4 . .1__Es. {s?1__2.fctm___. (1 + e) + r. Es }Langeduur- en krimpeffecten in rekening gebracht:wmax=k____4 . .1__Es. {s? 0,3 .fctm___. (1 + e) + r. Es }Door handig te vari?ren met wapeningsconfiguraties wordt eenoptimale wapening gevonden, veelal in een stramien van 75 of100 mm. Er is gestreefd naar een economische en toch prakti-sche wapening in gebruikelijke stramienen. Waar mogelijk enhaalbaar is de wapening gereduceerd (tussen de inklemmings-gebieden) en is er geoptimaliseerd met wapening aan binnen-en buitenzijde. LitEratuur1 Lohmeyer & Ebeling; Weisse Wannen,einfach und sicher. Beton-Verlag,D?sseldorf 2007.2 Braam, C.R., van Breugel, K., van derVeen, C. & Walraven, J.C., Betoncon-structies onder temperatuur- enkrimpvervormingen. BetonPrak-tijkreeks 2, BetonPrisma, 's-Hertogen-bosch 1996.3 Marel, E. van der, Syllabus Duurzaam-heid / scheurvorming, Delft 2008.454 Relatie tussen de kritischescheurwijdte en de ver-houding tussen vloeistof-hoogte en wanddikte vol-gens Meichsner enLohmeyer [1, 2]5 Trekstaafmodel t.b.v. aflei-ding formule onvoltooidscheurenpatroon [3]