2 Ontwerp sluis- deur in vvUHSB 1 Afstudeerstudie naar ontwerp vezelversterkte ultra-hogesterktebetonnen sluisdeur met optimalisatiealgoritmen ENCI Studieprijs 2012 Dit is het vierde artikel in een serie met bijdragen van prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2012. De studie die in dit artikel wordt beschreven, ontving de eerste prijs in de categorie Universiteiten. Zie ook www.cementonline.nl/encistudieprijs . Ontwerp sluisdeur in vvuHSB 2013 3 In een afstudeeronderzoek is een nieuw ontwerp gerealiseerd van zestien puntdeuren binnen het renovatieproject 'Sluiscomplexen Sambeek en Belfeld'. Vooral de mogelijkheden op het gebied van materiaalgebruik en ontwerpmethodiek zijn bekeken. Hierbij is de toepassing van vezel- versterkt ultra-hogesterktebeton (vvUHSB) beschouwd. Voor het ontwerp is gebruikgemaakt van optimalisatiealgoritmen geïmplementeerd in een eindige-elementenpakket. Deze algoritmen zoeken iteratief naar een materiaalverdeling, binnen een vooraf gedefinieerd ontwerpdomein, waarbij de ratio tussen efficiëntie en het volume van een vorm zo optimaal mogelijk is. Heel vroeger werden sluisdeuren in hout uitgevoerd (foto 2). Sinds tweehonderd jaar worden ook stalen sluisdeuren toege- past (foto 3). Stalen sluisdeuren hebben ten opzichte van hout het voordeel dat ze een langere levensduur, een hogere sterkte en een lager gewicht hebben. Hierdoor zijn grotere waterke- rende hoogten en breedten mogelijk. Na hout en staal deed in 2010 ook beton zijn intrede als materiaal voor sluisdeuren. In sluis 124 op IJburg in Amsterdam (foto 4) is de eerste betonnen sluisdeur ter wereld geplaatst. Deze sluisdeur is gemaakt van vezelversterkt hogesterktebeton (C90/105). Toegepast zijn stalen vezels met een lengte van 12 mm. De 0,1 m dikke, 6,55 m lange en 4,75 m hoge deuren hebben rondom een schuine rand van 0,35 bij 0,4 m, en wegen circa 14,5 ton per stuk. Gebleken is dat zowel de bouwkosten als de onderhouds- kosten veel lager zijn dan die van de tot dusver toegepaste houten of stalen varianten [2]. ir. Albert Reitsema 1) Heijmans 1 Het stuw en sluiscomplex Belfeldfoto: https://beeldbank.rws.nl, Rijkswaterstaat, Rens Jacobs2 Houten hefsluis in Kings Norton, Birmingham, Engeland 3 Stalen sluisdeur in Sambeek 4 Eerste betonnen sluisdeur in IJburg, Amsterdam 1) Albert Reitsema is met zijn afstudeeropdracht "Ontwerp van een sluisdeur in vezelversterkt ultrahogesterktebeton met behulp van opti - malisatie algoritmen" afgestudeerd aan de TU Eindhoven, Faculteit Bouwkunde, afstu- deerrichting Constructief ontwerpen. Hij werd daarbij begeleid door prof.dr.ir. D.A. Hordijk, ing. S.J. de Boer en ir. L.D. Molen- broek R.O. 2 3 4 Ontwerp sluisdeur in vvuHSB 2013 4 5 Multi-layermodel [3] 6 Bepalen van de optimale dikte van de sluis- deur m.b.v. embodied energy weglaten van grove aggregaten en het toevoegen van fijn zand en silica fume dichter is dan in een conventioneel betonmeng- sel. Men spreekt bij deze mengsels over ultra-hogesterktebeton (UHSB). Een nadeel van dit beton is dat het de eigenschap heeft om bros bezwijkgedrag te vertonen. Om toch een ductiel bezwijkgedrag te verkrijgen, is het gebruikelijk staalvezels toe te voegen. In dit geval wordt gesproken over vvUHSB. Internatio- naal staat dit betonmengsel bekend als Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC). Het materiaal valt in de categorie met een druksterkte van 150 tot 200 N/mm 2. In de loop der jaren zijn er diverse fabrikanten met een vvUHSB-mengsel op de markt gekomen. Zo heeft Vini-Vicat het merk BCV (Béton Composite Vicat), Eiffage-Sika het merk BSI-Céracem (Béton Spécial Industriel) en Bouygues-Lafarge- Rhodia het product dat bekend is onder de naam Ductal. Desondanks zijn nog veel vragen onbeantwoord. Zo wordt grootschalige toepassing veelal tegengehouden door het ontbreken van een internationaal erkende rekenmethode. 235 215 195 175 155 135 115 95 75 150 175200 225 250275 300 325350375400 425450475500 embodied energy [GJ ] dikte van de sluisdeur [mm] Aanleiding onderzoek Begin 2011 is door Rijkswaterstaat het renovatieproject 'Sluis- complexen Sambeek en Belfeld' gegund aan Heijmans. Dit project omvat het renoveren van in totaal zestien stalen sluisdeu- ren, uitgevoerd als puntdeur met een kerende hoogte van 7,9 m. Deze deuren waren door veroudering toe aan renovatie. Na inventarisatie van dit project is bij Heijmans de discussie ontstaan of ze ook op een rendabele wijze in beton realiseerbaar zouden zijn. Naast de mogelijkheid tot uitvoeren in conventio- neel beton, is ook de vraag geformuleerd of een vvUHSB sluis- deur mogelijk zou zijn. vvUHSB Er zijn in het recente verleden betonmengsels ontwikkeld met een zeer hoge sterkte en een lage permeabiliteit. Beide gunstige eigenschappen zijn verklaarbaar uit de matrix die door het 5 6 z z ? ? ? i ?i ?fct ?i ?fcc ?fc ffct,ax Ontwerp sluisdeur in vvuHSB 2013 5 7 Belichaamde energie van alle varianten 8 Bepalen van de ideale constructie m.b.v. optimalisatiealgoritmen Uit een parameterstudie is gevonden dat de vvUHSB sluis- deur een optimale dikte heeft van 200 mm (fig. 6, blauwe lijn). Deze optimale dikte is bepaald aan de hand van de energiebehoefte bij de productie van het element. Hiervoor zijn kengetallen gebruikt die in de literatuur veelal worden omschreven met de term 'embodied energy'. Deze omschrij- ven de totale energiebehoefte van het produceren tot recy - clen van een bepaald materiaal onder een gedefinieerd volume. Synchroon aan dit onderzoek is de daadwerkelijke renovatie van de sluiscomplexen Sambeek en Belfeld uitgevoerd met stalen sluisdeuren. In vergelijking tot deze stalen sluisdeur bespaart het ontwerp van een sluisdeur in vvUHSB 85% van de energie/CO 2-uitstoot (fig. 7). Beton heeft immers een relatief lage hoeveelheid 'embodied energy' (uitgedrukt in GJ/m 3). Onderzoek naar betonnen sluisdeuren Als startpunt van de onderhavige afstudeerstudie is een constructievariant van sluisdeuren in beton met sterkteklasse C53/65 doorgerekend. Om de krachten af te dragen, bleek een sluisdeurdikte van 450 mm nodig in combinatie met een aanzienlijke hoeveelheid buigtrekwapening in de hoofdrich- ting. Dit zou een dermate hoog eigen gewicht opleveren dat de secundaire delen van de sluisdeur als de bevestiging, buiten- proportioneel zwaar zouden worden. Volgend op de variant met C53/65 is een ontwerp in vvUHSB uitgewerkt. Dit ontwerp is, net als de C53/65-variant, als een vlakke betonplaat uitgewerkt. Hierbij zijn Franse ontwerpaan- bevelingen gebruikt om sterkteberekeningen te maken; de Eurocode voorziet hier niet in. Het bepalen van de capaciteit van een vvUHSB plaat is gedaan met een multi-layermodel (fig. 5). Dit model is in staat ook het softeninggedrag mee te nemen bij het bepalen van de doorsnedecapaciteit. 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 staal 0% staal 25% staal 50% staal 75%staal 100% C53/65 stijfheid C53/65 scheurwijdte C53/65 sterkte vvUHSB embodied energy [GJ ] -77% -85% 7 8 randvoorwaarde (R z ) randvoorwaarde (R z ) randvoorwaarde (R z ) randvoorwaarde (40 kN/m) voorgedefinieerd veld (p=1) 35 000 8000 ontwerpruimte (0>p