prof.Dr.-lng.H.W.ReinhardtTechnische Hogeschool Delftir.P. van den Berg, ir.K.M.Postma ening.D.W. de HaanDosbouwOnderzoek naar deeigenschappen van vers enverhard betonoTijd in uren ~1Schuifweerstand in relatie tot de tijd0.271-------.----,--------,t~~rr+~-"~"':d"':,"r)'-'!J:L!.!!.:-'!J0J~le'"-~'~81_Fundatiemateriaa IJ"'-"-"-"-"...........'"EE,zc:2.3.2. Ondervulproevenonder hoge drukIn volgendeontwerpfasen van de storm-vloedkering is nadrukkelijker nog stilge-staan bij de mogelijkheid enkele uren nastorten horizontale krachten van de pijlerover te dragen naar het fundatiebed. Dit be-tekende, dat de schuifsterkte van de speciebekend moest zijn. Daartoe is een drukvatgemaakt met schoepen op verschillendehoogten, om het verschil te kunnen bepalentussen de sterkte van de buitenschil en dekern van de zand-cementvulling. Zie alsvoorbeeld een overdruk van 2 bar (fig. 1).Onderzoek in de bak te Kats, met verticaleen horizontale belastingen op de ter plekkegemaakte ondervullaag op ware grootte, Ie"verde waarden voor de HIV verhouding van0,5 (dynamisch) tot 1,0 (statisch).De resultaten van de proeven met een zand-cementmortel in doek waren zo positief, datook voor de volgende ontwerpen hierop isingehaakt.2.3. Experimenteel onderzoek2.3.1 Ondervullen caissons op breukstenendamIn eerste instantie is voor het oorspronkelij-ke ontwerp van de stormvloedkering metcaissons, onderzoek uitgevoerd in eenstroomgoot te Lith. Voor het ondervullenvan de caissons moest worden uitgegaanvan een 35 m hoge vulleiding wat na aftrekvan de waterdruk een overdruk van de spe-cie tegen de vloE:r inhield van ca. 5 bar.In verband met deze grote krachten op hetwaterdoorlatende kunststofdoek en de gro-te onvlakheden in het fundatiebed, is geko-zen voor een nylondoek met een treksterktevan 250 kN/m en een breukrek van 25%. Ditdoek heeft zeer goede resultaten gegeven.Bij de optredende stroomsterkte werdonder de constructie cement uitgespoeld,maar in 15 ? 20 minuten werd een volledigecementafdichting verkregen. De hoeveel-heid uitgespoeld cement bleek niet groterdan enkele procenten.Onder de overdruk van ca. 5 bar treedt eenversnelling op van het verhardingsproces.Reeds na 48 uren zijn sterkten gemeten van20 N/mm2, waarbij een wisselbelastingisuitgevoerd met een periode van 8 sec vanafhet moment einde vulling. De vullaag blijktzeer homogeen te zijn.zand-cementmortel. Hiermee kan onder be"perkte stroomcondities, te weten een ver-hang van ca. 5%, een vrijwel volledige vul-ling van 95-100% met verkit materiaal wor-den bereikt. De gewenste sterkte kan een-voudig worden gerealiseerd. In een grofkor-relige omgeving als van de drempel moethet te vullen gebied worden begrensd. Hier"voor is waterdoorlatend zanddicht weefselmet positief gevolg toegepast. Plaatselijkelekkages in deze voorziening kunnen wor-den ondervangen zonder al te grote verlie-zen.Alternatieve materiaaltoepassingen zijn alleminder aantrekkelijk gebleken. Met eengroutspecie van cement, water en hulpstof-fen zoals bentoniet worden de gewenstesterktes niet gemakkelijk gehaald, eris eenzeer dicht doek vereist en lekkages zijnmoeilijk betrouwbaar te repareren. Met be-ton is er geen garantie op een voldoendevullingsgraad. Dit geldt ook voor asfalt-be-tonmengsels. Onderstromen met zand Ie"vert een onstabiele vulling.2. De betonvulling onder de pijlers2.1. InleidingBinnen het ontwerp van de stormvloedke-ring vereist de voeg tussen pijler en funda-tiebed bijzondere aandacht. Die voeg zal ge-vuld moeten worden om ongewenste rota-ties en bewegingen van de pijler te voorko-men. De vulling zal ook aan bepaalde condi"ties moeten voldoen om verschijnselen vanonderloopsheid en daarmee samenhangen-de erosie te vermijden. De eisen die aan deondervullaag worden gesteld, zijn:? duurzaamheid: 200 jaar, gelijk aan dievan de hele kering;? sterkte: 5-10 N/mm2 (kubusdruksterkte);? stabiliteit: stabiel zijn onder extreme ver-hangen (400-600%);? vullingsgraad: nagenoeg geheel gevuld(90 ? 100%).2.2. VooronderzoekIn een vooronderzoek is ge?nventariseerdwelke materialen voor toepassing in aan-merking komen. Dit heeft geleid tot een1. InleidingDit artikel behandelt drie onderzoeken, ophet gebied van de betontechnologie. De opte lossen problemen houden verband metde buitengewone belastingen en met het ge-bruik van grote geprefabriceerde betonele-menten, die nauwkeurig geplaatst en vast-gezet moeten worden op de fundatie.De onderzoeken betreffen ten eerste hetmechanische gedrag en de bruikbaarheidvan de ondervulspecie onder de pijlers, tentweede de stootkrachten op betonopper-vlakken en optredende, beschadigingendoor vallende stenen en ten derde erosievan betor. door water en zand. Hoewel deonderzoeken zijn uitgevoerd in het belangvan de Oosterschelde stormvloedkering,zijn de resultaten ook elders toepasbaar.Aan de andere kant zijn sommige delen vanhet onderzoek halverwege gestopt, doordatze of van weinig betekenis en nut waren voorde stormvloedkering of doordat het conceptveranderde gedurende het ontwerpproceszodat het onderzoek niet langer van toepas-sing was.Niettemin geloven de auteurs dat er talrijkeaspecten zijn die het rapporteren waard zijnen die andere ingenieurs kunnen helpenproblemen te vermijden of op te lossen intoekomstige bouwwerken.Cement XXXIV (1982) nr. 11 7822Proefopstelling voor het ondervul/en1.30 minuten ,.1Tijd in minuten - - - .b. Optimalisering van het mengselEr is een mengselonderzoek verricht, waar"in is nagegaan:? de sterkte van de specie;? uitpersen van water als functie van dedruk;? de soort toeslagmateriaal;? de soort hulpstof;? het optreden van bleeding en uitzakken.Bij het samenstellen van de mengsels is uit-gegaan van een ongeveer gelijke verwerk-baarheid.Om te voldoen aan de sterkte-eis van 5 tot 10N/mm2 na 28 dagen, is een cementgehaltenodig van 200 tot 300 kg, zoals uit figuur 4blijkt. De korrelopbouw van het zand be-paalt in grote mate de snelheid van uitper-sen van water. Betonzand geeft een snellereconsolidatie te zien dan Scheldezand (d50= 200 FLm).Teneinde ontmenging en bleeding tegen tegaan, zijn als hulpstof plastificeerders enbentoniet vergeleken. Toevoegen van ben-toniet leidde tot duidelijkebetere resultatendan andere hulpstoffen, ondanks de hogerewater-cementfactor.De minste uitzakking en/of bleeding van deplaats door het fundatiebed. Pas in een zeerlaat vulstadium beginnen de afvoeren waterte geven. Het vol zijn wordt gekenmerktdoor overlopen van specie door de 4 afvoe-ren. Tot dat moment is er geen drukverho-ging. Nadat de afvoeren zijn gesloten, wordtgedurende een half uur nagevuld onder dematige overdruk van ca. 1 bar. Om de in-vloed van de overdruk te beperken totslechts ??n compartiment, is voor het afslui-ten van de afvoeren overgeschakeld op eentweede toevoer zonder slang, dus directonder de pijlervloer.De drukverdeling binnen een compartimentvertoonde in alle gevallen een gelijkmatigbeeld. De compartimenteringsribben voor-kwamen dat druk werd overgedragen naareen aangrenzend vak (fig. 3). Door toepas-sen van kleurstof in een enkele charge isgebleken dat de zand-cementspecie zichniet via grote vlakken verplaatst, maarsteeds door relatief dunne kanalen stroomt.Het royaal overlopen van de afvoeren garan-deert een goede vullingsgraad, waardoorribbels onder de vloer overbodig lijken. Ingeen van de proeven is enige mate van blee-ding of ontmenging waargenomen, wat ver-klaard kan worden door uitpersen van hetwater bij het onder overdruk naVullen. Bij deproeven zijn gronddrukdozen tegen deonderzijde van de vloer vergeleken met opingestorte pijpen gemonteerde waterspan"ningsmeters. Deze gaven dezelfde resulta-ten.2.3.3. Ondervulproeven onder beperkteoverdruka. Proefmethode van het ondervullenVoor de uitwerking van het ondervulmodelvoor de pijlers uit het vigerende ontwerp ister ondersteuning een proevenserie opge-zet op schaal 1:1. Daarbij is steeds zoveelmogelijk gebruik gemaakt van de voorgeno-men plannen voor het prototype, zoals toe-passing van de grindzak als afdichting, eenhoogte van 0,5 ? 1,0 m van de ondervulruim-teen waterdoorlatend doek ter afschermingvan de grindlagen uit het fundatiebed. Deondervulruimte wordt onderverdeeld doorscheidingsribben van beperkte hoogt~. Elkvak wordt gevuld door een centrale openingin de vloer, de afvoer van water vindt plaatsop de hoeken van elk compartiment (fig. 2).783Bij het onderzoek is vooral gekeken naar:? het gedrag van de specie bij verplaatsingover grote afstanden en het optreden vanontmengings- en bleedingsverschijnselen;? de vormgeving van de onderzijde van devloer (vlak of geribbeld) om een goede af-voer van water en daardoor een goede vul-lingsgraad te verkrijgen;? het verloop van het gehele vulprocesonder lage overdruk, het bereiken van vol-doende vulling;? de invloed van compartimenteringsrib-ben op het overdragen van de overdruk naarde naastliggende compartimenten;? de plaatsbepaling van de toe- en afvoe"ren;? het meten van de drukken tegen deonderzijde van de vloer.Na aanbrengen van de specie en enkele da-gen verharding, is de gehele opstelling ge-demonteerd en is de groutplaat visueel endoor middel vankernboringen beoordeeld.De proeven hebben aangetoond dat een ho-mogene samenstelling gewaarborgd is, alsaan de toevoer een rubberen slang wordtgemonteerd, die tot vlak boven het fundatie-bed reikt.De afvoer van het water vindt voornamelijkIn het drukvat is ook onderzocht hoe bij hetondervullen penetratie van het fundatiebeden daarmee verstoring van de filterwerkingkan worden voorkomen. Diverse steenachti"ge materialen zijn beproefd. Gebleken is,dat materialen met een gelijkmatige korrel-opbouw vanaf 0,5 mm tot 30 mm niet door de:z:andcementspecie worden ge?njecteerd.Dit materiaal is echter niet stroombesten-dig. Het grovere materiaal bleek niet mortel-dicht te zijn, wat toepassing van een zand-dicht doek nodig maakte. Dit waterdoorla-tende doek is als bovendoek in de fundatie-mat opgenomen.9040075gc.i c-,E >0::;:'"60300350Tijd in minu ten -----.4530200 25("Cem.nlg_helte ?n kgJm3 - .,.150? Metsel.zand 0 ScheldezandJ---.-- cI---?0/~Q8/i?00.0"".~..... io ?'& ..._0-"7,'mA . --.......... " B/' /'/ /';//IVVo1005Zakking van vers betonA en B in kgMena.el A BHoogoven~235 245cement AMetselzand 1360 1420Bentoniet 40 20Water 355L 34DL4Invloed cementgehalte op sterkteCement XXXIV (1982) nr. 113Drukverloop in de compartimenten alstijdsfunctie,....:....?g~ .-g .?.8I- "C~2..0'"E- Eo!! C0?0_?",- "'''';; '" ~~_0- ~o..~ .~ .c 0",0"E .c" ~ ~ ". .0 '"> cti- c ?Cc ~.~t~Q)~ ;;~ E>::: .. > ::;: Et.5."''", 1.0;;0.5I:6Overzicht ondervulmethode en uitrustingNoo rd zeez ijdeNAPOosterseheldezijdeTransportleiding7DrempelconstructieVe 6.7m /;........---3000 kgV 10"'"Ve 5m/s./::::-~k9~~/IValhoogte in m - - .OostersclJeldezijdeBetonblokken van 1m3Sleen 300 . 1000 kgSleen 1?3 tSleen 300? 1000 kgSleen 10?60 kg + 60? 300 kgN.A.PNoordzeezijde543o.Et :fiii\ volgens halfschijf : k =~~ 1-"G2) volgens indrukking halve betondoorsnede :- k=.L~@ volgens buiging plaat: k = rxdE. 1L3formules voor stootkracht:@ elastische stoot mi( + kx = 0F= vv'k:m@ starre stoot F= v E?Ac =J EPformules voor veerstijfheden :Gedraagt de constructie zich als een starlichaam, dan geldt formule a2. Eerst zijnstootkrachten berekend volgens het elasti-sche model. De veerstijfheid k is, afhankelijkvan de trefplaats op de pijlers (fig. 9), bena-derd volgens:a. de theorie van de halfschijf volgens Ti-moshenko (lokatie 1 en 3);v= trefsnelheidsteen:m = massaconstructie: k = veerstijfheidE = elasticiteitsmodulus"V = dwarscontraetieco?ffici?ntp= dichtheid materiaalA = trefoppervl aka = breedte trefvlakd = dikte betondoorsnede1 " traagheidsmomentL = plaatlengterx= co?ff. voor oplegconditiesAI naar gelang de respons van de construc-tie op een stootvormige belasting, is er spra-ke van een elastische of starre stoot. Degrootte van een elastische stoot is afgeleiduit de bewegingsvergelijking van een ??n-massaveersysteem (formule a1, zie kader).3.2. Theoretische rekenkundig onderzoekHet theoretisch onderzoek is erop gerichtvoorspellingen te doen van de te verwach-ten beschadigingen. Hiervoor moet eerst detrefsnelheid worden bepaald. Door de grotewaterdiepten van de bedreigde constructie-delen kan worden uitgegaan van de even-wichtssnelheid (fig. 7-8).3. Vallende stenen3.1. InleidingEen van de randvoorwaarden voor het ont-werp van pijlers en dorpelbalken is dat degangbare wijze van aanbrengen van stenenvoor de drempel bestaat uit storten vanaf dewaterlijn. Dit betekent dat stenen onder wa-ter vrij-vallend de betonconstructies zullentreffen. Het gaat om uiteenlopende massa's,van 10tot 10 000 kg.Er kunnen 2 vormen van beschadiging op"treden; verbrijzeling van het betonopper-vlak en overbelasting van de betondoorsne-de. Om een inzicht te krijgen in de groottevan de stootkrachten en de mate van be-schadiging is een onderzoek 'vallende ste-nen' uitgevoerd. De theoretische rekenkun-dige benadering leverde mede door de veleaannamen zulke onzekere en onwaar-schijnlijke resultaten op, dat besloten is hetonderzoek proefondervindelijk op waregrootte voort te zetten.8Valbeweging van stenen onder waterspecie wordt verkregen door toevoegingvan 40 kg betoniet per m3, maar het uitper-sen van het water geschiedt veel trager danbij 20 kg bentoniet per m3, zoals blijkt uitfiguur 5. Gekozen is voor mengsel B.2.4. Conclusies voor de praktijkUit de resultaten van de proeven zijn de vol-gende conclusies getrokken voor devormgeving van de pijlers en het ondervul-proces:? devoorgenomen compartimentering vol-doet;? per vak zijn 2 toevoeren (met en zonderslang) en 4 afvoeren gewenst, de afvoerenleiden in verband met inspectie door de pij"lerruimte;? de onderzijde van de vloer wordt ge-vormd uit kanaalplaten, om krach.tover-dracht van vloer naar vulmateriaal zeker testellen;? voor het meten kunnen waterspan-ningsmeters op ingestorte pijpen wordengemonteerd;? de pompen worden op de vloer van depijler geplaatst. Hiermee wordt voorkomendat de druk tegen de vloer te hoog zal wor-den. De pompen fungeren als doseer- enreduceerapparaat.Met het geschetste model met beperktedruk is een vrijwel volledige vulling met ma-teriaal van de vereiste kwaliteit goed bereik-baar (fig. 6).Cement XXXIV (1982) nr. 11 7849Trefplaatsen op pijlerSteen.~ Valhoogte10Proefopstellingb. de indrukking over de halve betondoor-snede (lokatie 2);c. buiging van de plaat (lokatie 4).De aldus berekende stootkrachten zijn ver-meid in tabel 1. Benadering volgens de for-muIe van de starre stoot leidt tot nog hogerestootkrachten. De berekende stootkrachtenzijn zo groot dat stenen van 3000 kg de con-structiedelen van de pijlers zouden doen be-zwijken terwijl 3tenen van 500 kg aanzienlij-ke oppervlaktebeschadiging zouden ver-oorzaken. Op grond van praktische ervaringleken de rekenresultaten ongeloofwaardig.Het grote aantal factoren waarvoor aanna-mes moest worden gedaan, zoals veerstijf-heid, trefoppervlak, meewerkende massa enstootkarakter waren oorzaak van ondoor-zichtigheid. Daarom is besloten tot het ver-richten van proefondervindelijk onderzoek.3.3 Proefondervindelijk onderzoek3.3.1. InleidingAspecten zoals de verbrijzeling van beton,inschaling van trefsnelheid en het starre ka-rakter van een stoot, alsmede de praktischemogelijkheden van stootregistratie, hebbengeleid tot een onderzoek op ware grootte.Om een starre stootte imiteren en daarbij deinvloed van de ondergrond te kunnen ver-waarlozen, rnoest worden gekozen voor eenproefopstelling met een massa van ca"200 000 kg, met horizontale en schuine tref-vlakken (fig. 10). De trefsnelheid van de ste-nen onder water is omgezet in een benodig-de valhoogte in lucht. De grootte en detijdsduur van de stoot zijn geregistreerddoor ingelijmde versnellingsopnemers in destenen. Er zijn ook metingen verricht metonder de te beproeven plaat gesitueerdedrukdozen. Beide methoden gaven over-eenkomstige resultaten. De gemetentijdsduren van de stoten, vari?rend van 4 tot10 msec bevestigden dat het karakter van destarre stoot goed was ge?miteerd.3.3.2. Stootkrachten en beschadigingenvan het betonNa het verkennend onderzoek is een grootaantal valproeven uitgevoerd om tot eenstatistische bewerking van gemeten stoot-krachtenen beschadigingen te kunnen ko"men (tabel 2). Aan de hand van de gemetenstootkrachten is vervolgens de 5% over-schrijdingslijn voor verschillende steenge-wichten samengesteld (fig. 11).De gemeten stootkrachten bleken aanmer-kelijk lager (factor 10) te zijn dan de theore-tische, berekende waarden. Daarbij kwameen grote variatie (factor 4) in stootkrachtenvoor dezelfde steengewichten naar voren.Van grote invloed bleken de vorm van hettrefvlak en de momentane posities van hetTabel 1Berekende stootkrachtenTabel 2Gemeten stootkrachtenTabel 3Gemeten beschadigingenCement XXXIV (1982) nr. 11trefplaats veerstijfheids- reductie- stootkrachten (kN)benadering factorstenen 3000 kg stenen 500 kg1. wand, horizontaal b1 - 89000 270002. veld, horizontaal b2 - 52000 160003. wand, schuin b1 0,3 26000 80004. veld, schuin b3 0,3 12000 3000stootkrachten (kN)steengewicht horizontaal vlak schuin vlak (18: 10)gemiddeld 5% gemiddeld 5%3000 kg 3700 7400 600 1050500 kg 1000 1800 150 300steengewicht beschadiging (mm)horizontaal vlak schuin vlak (18: 10)gemiddeld 5% gemiddeld 5%3000 kg 36 56 29 44500 kg 29 29 18 26785J4 5 IMassa5 %-grens+--+------+--7'