Schadepatronen golfbrekers 1 2009 72 Schadepatronen golfbrekers Betonnen afdekelementen voor golfbrekers werden in het verle- den voornamelijk ontworpen op hun golfweerstand: de hydraulische stabiliteit. Bij de bij afdekelementen van diverse golfbrekers wereldwijd werden ernstige schadegevallen in de vorm van scheuren en breuk geconstateerd. Deze hebben het belang van de structurele integriteit naar voren gebracht. In dit artikel wordt ingegaan op de resultaten van een onlangs verricht onderzoek naar de invloed van het verhardingsproces op optredende scheur- en breukpatronen. Onderzoek naar betonnen afdekelementen Wereldwijd worden golfbrekers gebouwd ter bescherming van kust- en havengebieden. Een voorbeeld van een golfbreker is de stortsteengolfbreker. Deze bestaat uit een kern van breuksteen afgeschermd door een laag van rotsen of betonnen afdekele- menten. De steeds dieper wordende waterwegen ? noodzake- lijk door de komst van steeds grotere schepen ? en de relatief kleine afmetingen van rotsblokken maken het gebruik van massieve betonnen golfbrekerelementen noodzakelijk. Deze elementen zijn meestal ongewapend en variëren van simpele kubussen tot complexere vormen zoals Accropodes® of Xblocs®. Tot voor kort werd tijdens het ontwerp de hydraulische weer- stand meestal als maatgevend criterium aangehouden, maar verschillende schadegevallen laten zien dat de structurele inte- griteit van blokken ook belangrijk is: blokken moeten zodanig worden ontworpen dat ze optredende belastingen kunnen opnemen zonder te scheuren en/of te breken. Kunnen inwen- dige mechanismen tijdens verharden leiden tot scheuren en/of breuk van de betonnen afdekelementen? Betoneigenschappen Mengselontwerp Om de invloed van de betonsamenstelling op het gedrag te bestuderen, is het effect van zes verschillende mengsels bestu- deerd (tabel 1). Het cementgehalte en de water-bindmiddelfac- tor zijn als constant aangenomen en bedroegen 420 kg/m 3 1) ir. Nina Fozein Kwanke is op dit onderzoek afgestudeerd aan de TU Delft. De afstudeercommissie bestond uit ir.Jeannette Bouwmeester-van den Bos, dr.ir.Alex Fraaij, dr.ir. Eddie Koenders en prof. dr. ir. Joost Walraven. Schadepatronen golfbrekers 1 2009 73 onder laag kern (breuksteen) beschermlaag (rots of betonnen afdekelementen) teen (rots of betonnen afdekelementen) 1 respectievelijk 0,45. Om het gebruik van hulpstoffen te vermij- den, is het cementgehalte vrij hoog. Voor de mengsels met vliegas of hoogovenslak, is een k-waarde van 1 aangehouden. Zodoende is de helft van het cement vervangen door vliegas of gegranuleerde hoogovenslak. Experimentele resultaten De mechanische en thermische eigenschappen van de mengsels zijn experimenteel bepaald. Voor elk mengsel zijn elf kubussen gestort (150 mm 3). De kubussen zijn per tweetal op druk respectievelijk trek beproefd na 1, 2, 3, 7 en 28 dagen (fig. 2a). De laatste kubus is gebruikt ter bepaling van de adiabatische temperatuurontwikkeling gedurende 7 dagen (fig. 2b). De maximale treksterkte voor alle mengsels was ongeveer 4 N/mm 2. Alleen het vliegasmengsel had, door een trager reac- tieproces, langere tijd nodig om dezelfde sterkte te ontwikkelen De experimentele data zijn als invoer gebruikt voor de nume- rieke simulaties om de structurele integriteit van de golf- brekerelementen te bepalen. Numeriek model voor het verhardingsproces Tijdens het verharden, verandert het beton van een viskeuze granulaire toestand in een constructief bouwmateriaal. Gedu- rende dit proces, vinden chemisch-fysische reacties plaats die tot warmteontwikkeling en dus temperatuurverhoging in het verhardende beton leiden. Dit proces gaat gepaard met volume- veranderingen. Wanneer deze worden verhinderd ontstaan span- ningen die kunnen worden bepaald met onderstaande formule: ?? = (?T · ? c + ?? a) · E · ? · R (1) waarin: ?? = spanningsincrement [N/mm 2] ?T = temperatuursincrement [°C] ? c = thermische uitzettingscoëfficiënt [m / m °C] ?? a = rekincrement voor autogene verhardingskrimp [-] E = elasticiteitsmodulus [N/mm 2] ? = relaxatiecoëfficiënt [-] R = verhinderingsgraad [-] Tijdens de verharding veranderen de eigenschappen van beton waardoor er gerekend wordt met incrementen. De spanning in het element bestaat uit de sommatie van de incrementen. ? = ??? (2) waarin: ? = spanning in het materiaal [N/mm 2] ?? = spanningsincrement [N/mm 2] Om dit niet-lineaire materiaalgedrag te modelleren en deze spanningen te kunnen berekenen, zijn adequate numerieke modellen nodig [1]. Voor dit onderzoek is gebruikgemaakt van het programma FeC 3S®, een extra module binnen het eindige elementenpakket ANSYS ontwikkeld door BAM. Dit programma maakt het mogelijk het verhardingsproces te simule- ren in de golfbrekerelementen. De experimenteel bepaalde ther- mische en mechanische eigenschappen die als invoerparameters gebruikt zijn voor het model, worden gerelateerd aan de reactie- graad ? h. Deze is gedefinieerd als de hoeveelheid geproduceerde ir. Nina Fozein Kwanke 1), dr. ir. Eddie Koenders, prof.dr.ir. Joost Walraven TU Delft, fac. CiTG ir. Jeannette Bouwmeester-van den Bos BAM Infraconsult/TU Delft, fac. CiTG 1 Stortsteengolfbreker Tabel 1 Beproefde betonmengsels parametermate van eigenspanningen commentaar verhoging verlaging afmetingen grote afmeting matige afmetinghoe groter de massa van het blok, des te groter het effect van verhinderde vervorming cement portlandcement hoogovencement (30%/70%) een portlandmix reageert intenser betonmengsellicht beton zwaar betonzwaar toeslagmateriaal heeft meer tijd nodig om op te warmen en af te koelen standaard betonbeton met combinatie van bindmiddelen (vliegas of hoogovenslak)vliegas en hoogovenslak hebben een langzame reactie waardoor de tempera- tuur laag blijft bekistinghout staalin geval van ontkisting na 1 dag, wordt een houten bekisting ontraden; hout zorgt voor minder warmteafdracht en dus hoge- re temperaturen staal + isolatie staalstaal met isolatie is vergelijkbaar met hout; de warmte wordt langer vastgehouden tijdstip ontkisten 1 dag 7 dageneen snelle ontkisting wordt niet aangera- den vanwege het introduceren van een extra snelle afkoeling omgevings-/ storttemperatuurte koud/te warm matigextreme weersomstandigheden leiden tot grotere temperatuursverschillen Schadepatronen golfbrekers 1 2009 74 0.00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 0 7 14 21 28 35 tijd (dagen) treksterkte(N/mm 2) mix 5 mix 3 mix 4 mix 1 mix 6 mix 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 mix 1 mix 6mix 2 mix 3 mix 4 mix 5 tijd (uren) temperatuur (°C) GGBScem + s + gPC + S + GPC + FLY-ASH + S + GPC + GGBS + S + GPC + LIAPORPC + MD 2a 2b 3 4a 4b terwijl het tweede tijdstip refereert naar het moment dat het blok vrijwel is afgekoeld. Met behulp van de numerieke simula- tie zijn het temperatuurverloop en de eigenspanningen bepaald. Temperatuurverloop De exotherme reactie tussen cement en water veroorzaakt warmteproductie in het beton. Aan de zijvlakken van de kubus vindt warmteafdracht plaats waardoor de temperaturen lager zijn. In de kern van de verhardende kubus vindt minder warm- teafdracht plaats waardoor de te verwachten temperaturen hoger zijn. Over de doorsnede ontstaan temperatuurverschil- len. Figuur 4a geeft het verwachte temperatuurprofiel na twee dagen verharding weer. De temperatuur verloopt van laag aan de zijkanten van de blokken naar hoog in het centrum. Eigenspanningen Wanneer de vervormingen, veroorzaakt door deze tempera- tuurverschillen, worden verhinderd, ontstaan drukspanningen in de kern van het blok en trekspanningen aan de buitenzijden tijdens het opwarmingsproces. Dit proces keert om wanneer de temperatuur in het midden van het blok daalt. Er ontstaan drukspanningen aan de buitenzijde en trekspanningen in de kern van het blok. Deze spanningen worden eigenspanningen genoemd (fig. 4b). Parameterstudie Een gevoeligheidsanalyse voor de mate van optredende eigen- spanningen is uitgevoerd. De volgende parameters zijn in beschouwing genomen: warmte ten opzichte van de totale hoeveelheid warmte. De reac- tiegraad is een grootheid waarmee de voortgang van het hydrata- tieproces en de ontwikkeling van de microstructuur ondubbel- zinnig kunnen worden beschreven in elk punt van het beschouwde element. De analyse is uitgevoerd in drie stappen: 1 temperatuurberekening: ter bepaling van het temperatuur- verloop; 2 spanningsberekening: ter bepaling van de spanning- en sterkteontwikkeling; 3 scheurberekening: ter bepaling van de kans op scheuren. Model geometrie Als geometrie is een betonnen kubus gemodelleerd van een portlandcementmengsel met een riblengte van 2,5 m (totaal 16 m 3). Als randvoorwaarden zijn een 5 mm dikke stalen bekis- ting en 24 uur als tijdstip van ontkisten aangehouden. De grond is gemodelleerd als een 1 m dikke laag. Door de symme- trie van het model, is alleen de helft van de kubus gemodelleerd met een rooster van 8x16x16 blokelementen met een lengte van 156,25 mm (fig. 3). Numerieke simulaties De temperatuur- en spanningsontwikkeling zijn bepaald over een periode van 672 uren (28 dagen) verharding. Twee speci- fieke tijdstippen zijn in beschouwing genomen: 48 uur en 672 uur (2 dagen respectievelijk 4 weken) na het storten. Het eerste tijdstip heeft betrekking op het moment dat bij benade- ring de maximale temperatuur wordt bereikt in de blokken, 1/2 betonnen kubus grondlaag Schadepatronen golfbrekers 1 2009 75 Rankine limiet'veilig' gebied ? ct ?? ?' cc ? ct O? O? ? cc max ?t max +? 1 ?? ? ? cc ' ?? ?cc ' ? ct ??+? 1???cc ' ?? ? ? ct Rankine limiet Mohr-Coulomb limiet Mohr-Coulomb limiet 5 2 Treksterkte (a) en adiabatische temperatuur- ontwikkeling (b) voor de mengsels van tabel 1 3 Geometrie voor het eindige-elementenmethode (EEM) model 4a Temperatuurverloop (van 17 ºC tot 63,6 ºC) van mix 2 na 2 dagen verharding 4b Met 4a corresponderend spanningsverloop, van -3,6 N/mm 2 (blauw) tot +3,7 N/m 2 (rood) 5 Combinatie van de Mohr-Coulomb en Rankine criteria Mohr-Coulomb schuifspanningscriterium Ook een combinatie van spanningen kan tot scheuren in de betonnen afdekelementen leiden. Het Mohr- Coulomb crite- rium maakt het mogelijk combinaties van hoofdspanningen te evalueren die tot scheuren en/of schade zouden kunnen leiden. Dit criterium is alleen toepasbaar op korrelachtige materialen en ongewapend beton [2] en kan worden beschreven als: ? 1 ___ f ct + ? 3 ___ f ' cc (4) waarin: ? 1, ?3 zijn de hoofdspanningen (trek respectievelijk druk) f ct , f ' cc zijn de corresponderende gemiddelde sterktes Wanneer zowel het Rankine als het Mohr-Coulomb criterium als maatstaaf wordt gebruikt voor het evalueren van het scheur- gedrag van de betonnen afdekelementen, moet aan beide crite- ria worden voldaan volgens figuur 5. Spanningscombinaties buiten het 'veilig' gebied leiden tot onveilige situaties resulte- rend in scheuren en/of breuk van het blok. Aan de hand van de spanningsbeelden zijn de volgende patro- nen te onderscheiden: Na 48 uur: Scheuren treden op volgens een radiaal patroon, initiërend en propagerend van de buitenkant naar de kern van het blok. Ze volgen de richting loodrecht op de in figuur 7 aangegeven vectoren. afmetingen element: 1 m 3, 16 m 3 en 64 m 3 betonmengsel: zie tabel 1 en figuur 2 type cement: portland- en hoogovencement type bekisting: houten en stalen bekisting tijdstip van ontkisten: na 1 en 7 dagen omgevingscondities: verschillende omgevings-/storttempe- raturen. Tabel 2 geeft een samenvatting van de resultaten. Evaluatie van de scheur- en breukpatronen Het verhardingsproces van de betonnen afdekelementen is geëvalueerd aan de hand van de kans op scheuren. Om de gevoeligheid van de betonnen elementen hiervoor te bepalen, is een betrouwbaar spanningscriterium nodig. Twee verschillende criteria zijn in beschouwing genomen: het Rankine spannings- criterium en het Mohr-Coulomb schuifspanningscriterium. Rankine spanningscriterium Volgens het Rankine spanningscriterium vinden scheuren loodrecht op de richting van de maximale hoofdspanning plaats wanneer de optredende spanning de gemiddelde trek- sterkte van het beton overschrijdt volgens: ? 1 ? f ct (3) waarin: ? 1 is optredende hoofdspanning f ct is de gemiddelde treksterkte in het blok Tabel 2 Samenvatting van de gevoeligheidsanalyse beton mix cement bindmiddel toeslagmateriaal commentaar normaal1 CEMIII/B* / zand, grind30% pc*** / 70% ho-slak 2 CEM I*/ referentiemix met bindmiddel3 vliegas siliciumhoudende vliegas; 50% pc / 50% vliegas 4 ho-slak ** 50% pc / 50% ho-slak licht/zwaar5 / Liapor Liapor®: gesinterde klei, 1800 kg/m 3 6 / MagnaDense MagnaDense®: magnetiet, 3650 kg/m 3 * volgens EN 197-1; ** ho-slak = hoogovenslak; *** pc = portlandcement Schadepatronen golfbrekers 1 2009 76 6 6 Havenhoofden van IJmuiden 7 Spanningscontouren (van -3,6 N/mm 2 tot +3,7 N/mm 2) en corresponderende scheurpatro- nen na 48 uur verharding 8 Spanningscontouren (van -0,73 N/mm 2 tot +3,3 N/mm 2) en corresponderende scheurpa- tronen na 672 uur verharding 9 Geobserveerde schadepatronen vergeleken met numerieke resultaten Het betonmengsel toegepast bij deze blokken bestond voorna- melijk uit hoogovencement (30% portlandklinker, 70% hoog- ovenslak), zand en zwaar toeslagmateriaal (staalslakken). De basis van de blokken is vierkant en aan de bovenkant enigszins taps toelopend om de houten bekisting makkelijker te kunnen verwijderen. Scheur- en breukpatronen: analyse en evaluatie Ernstige schadebeelden worden geconstateerd aan de betonnen blokken van de havenhoofden bij IJmuiden. De scheur- en breukpatronen kunnen als volgt worden geclassificeerd (fig. 9): 1 cirkelvormige scheuren / afbrokkeling van de hoeken; 2 orthogonale scheuren aan de oppervlaktes; 3 vergruizing van de blokken. Orthogonale scheuren worden voornamelijk aan de bovenkant van de elementen waargenomen, omdat dit vlak de meeste invloed ondervindt van variërende weersomstandigheden (foto 9c). Een witte substantie, zeer waarschijnlijk gips gevormd door de reactie van vrije kalk met zeewater, is zichtbaar in deze scheuren (foto 9a). Door zoutindringing, witte afzetting en algengroei, zijn de scheuren duidelijk waarneembaar. De geobserveerde scheur- en breukpatronen tonen duidelijke overeenkomsten met de numeriek voorspelde scheurpatronen. Dit geldt in bijzonder voor het scheurbeeld getoond in foto 9a. De berekening voorspelt scheuren onder 45° (fig. 9b). In werkelijkheid verlopen de schuine scheuren geleidelijker waar- door een cirkelvormig patroon ontstaat (fig. 9a, 9d). Ten gevolge van symmetrie is brokvorming ontstaan (fig. 9g) of zijn alleen de hoeken eraf gegaan (fig. 9e, 9f ) leidend tot een cirkel- vormig element (fig. 9h, 9i). Welk mechanisme zal ontstaan, hangt van kleine verschillen en toevalligheden af, omdat de scheurcriteria dicht bij elkaar liggen. Vergelijking van de geconstateerde schadepatronen met de numerieke simulaties leidt tot de conclusie dat eigenspannin- gen in de blokken zijn opgetreden ten gevolge van warmteont- wikkeling tijdens het verharden van het beton. Door gemaakte Na 672 uur: Scheuren volgen een diamantvormig patroon. In de kern van het blok, wijzen de spanningsvectoren voornamelijk naar de buitenkant, in dit geval de hoeken van het element onder een hoek van 45°. Het scheurpatroon ontwikkelt zich loodrecht op het spanningsbeeld zoals weergegeven in figuur 8. Wanneer in een bepaald punt het spanningscriterium wordt bereikt, kan het materiaal lokaal geen extra belasting opnemen: het materiaal scheurt. De scheurwijze van de betonnen elemen- ten kan sterk verschillen. Scheurvorming kan plaatsvinden onder 45° (elementen raken hun oorspronkelijke vorm kwijt door afbrokkeling van de hoeken) of orthogonaal (elementen vallen uit elkaar). Dit hoeft echter niet te betekenen dat de constructie niet meer functioneert. Daarom moet onderscheid worden gemaakt tussen falen op materiaal-, constructie- en systeemniveau [3]. Kritieke punten worden beschouwd op materiaalniveau. Wanneer ernstige schade optreedt door scheurvorming, wordt ook het constructieve niveau beschouwd. Alleen wanneer de golfbreker zijn oorspronkelijke functie niet meer kan vervullen, is er sprake van falen op systeemniveau. Casestudy: De havenhoofden van IJmuiden De havenhoofden van IJmuiden (foto 6, aangelegd tussen 1868 en 1876) vormen de toegang tot het Noordzeekanaal, de hoofd- vaarroute van de Noordzee bij IJmuiden naar het IJ bij Amster- dam. In 1956 is onderzoek gedaan naar verlengmogelijkheden van deze havenhoofden in verband met grotere schepen en vaarproblemen. Dit heeft geresulteerd in een asymmetrisch ontwerp bestaande uit een noord- en zuidpier opgebouwd uit een kern van breuksteen afgedekt met een asfalt gepenetreerde laag. Verschillende problemen (zettingen, scheuren in de asfaltlaag) hebben tot hoge onderhouds- en reparatiekosten geleid. Om die redenen zijn betonnen blokken van 22, 30 en 45 ton in het asfalt geplaatst, tussen 1972 en 1987 [4]. Problemen gerelateerd aan de hydraulische stabiliteit bleven echter bestaan en daar- naast begonnen blokken te scheuren en te degenereren. Schadepatronen golfbrekers 1 2009 77 7 8 9 a d gb e hc f i bindmiddelen, experimenteel bepaald. De experimentele data zijn als invoerparameters gebruikt voor een opgezette nume- rieke verhardingsmodel. De analyses met het verhardingsmodel geven aan dat aanzien- lijke temperatuurstijgingen en spanningen kunnen ontstaan, die kunnen resulteren in scheurpatronen of de vorming van scheuren sterk kunnen stimuleren. Zwakke en kritieke punten zijn aangetoond en mogelijke faalmechanismen voorspeld. Een parametrische studie heeft laten zien dat de mate van eigen- spanningen afhankelijk is van verschillende factoren zoals afmetingen, betonmengsel, cement, bekisting, tijdstip van ontkisten en omgevingscondities. Berekeningen, uitgevoerd met zowel de Rankine als het Mohr- Coulomb spanningscriterium, geven duidelijk inzicht in de verschillende faalmechanismen die in de praktijk scheur- en breukpatronen kunnen veroorzaken. De optredende scheur- en breukpatronen aan de blokken van IJmuiden komen overeen met de berekende scheurpatronen ten gevolge van hoge eigenspanningen tijdens het verhardings- proces. Dit zou de oorzaak van de schade kunnen zijn in combinatie met verkeerde keuzes en andere externe belastin- gen/factoren. Aanvullend onderzoek naar deze andere oorza- ken zoals genoemd, moet dit onderbouwen. Concluderend kan worden gesteld dat interne mechanismen tijdens het verhardingsproces kunnen leiden tot het scheuren en breken van betonnen afdekelementen. Om de kans op scheuren te verkleinen, is het noodzakelijk dit te onderkennen en eventuele negatieve consequenties van bepaalde keuzes te beperken dan wel te voorkomen door het nemen van adequate maatregelen. ) keuzes tijdens het ontwerp- en productieproces met nadelige gevolgen waartegen onvoldoende maatregelen zijn getroffen, waren de eigenspanningen te hoog. Het verwijderen van de houten bekisting na een dag bijvoorbeeld, heeft tot grote temperatuurgradiënten geleid. Minder gelukkige keuzen ten aanzien van de betontechnologie, zoals een niet goed gekozen samenstelling van het beton, lage reactiviteit van de hoog- ovenslak en/of expansie van de staalslakken en een mogelijk niet optimale uitvoering, hebben de blokken gevoeliger gemaakt voor extern opgelegde belastingen. Hierbij kan worden gedacht aan geabsorbeerde warmte via de asfaltlaag die tevens dissipatie van golfenergie verhinderd, extreme weersom- standigheden (stormen, vorst/dooi, zon, etc.) en overige facto- ren zoals algengroei, zoutindringing/concentratie. De combi- natie van dit alles heeft geleid tot het progressieve falen op constructief niveau van betonnen blokken. Conclusies en aanbevelingen Betonnen afdekelementen op golfbrekers werden in het verle- den voornamelijk op hun golfweerstand ontworpen. Verschil- lende schadegevallen hebben echter het belang van de structu- rele integriteit naar voren gebracht. Om de interne mechanismen tijdens het verhardingsproces te bestuderen, zijn de thermische en sterkte-eigenschappen van verschillende betonmengsels variërend van normaal tot licht en zwaar beton en van beton met cement tot combinaties van I
LITERATUUR 1 Breugel, K. van, Het grijze gebied van het jonge beton. Overdruk uit Cement, 1995/1996. 2 Verruijt, A., Grondmechanica. Delft University Press, Delft, januari 1999. 3 Hartsuijker, C., Welleman, H., Mechanics of Structures, module: intro- duction into continuum mechanics (ct4145 / ct3109). 4 RWS / http://www.wldelft.nl/cons/area/hci/index.html 5 INFRAM B.V., Havenhoofden IJmuiden. Beheersvisie en instandhou- ding. i646, Concept 0.1, Course: Breakwaters, PAO Foundation Delft, Delft, Maart 2003. 6 Fozein Kwanke, N.J.C., Concrete armour units for breakwaters: A study on the structural integrity, Master Thesis, Delft University of Technol- ogy, Delft, November 2007.