O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eves t ig i n gcement 2004 6 99De precieze vragen luidden:1. Is de sterkte van de natte-knoop-verbinding voldoende bij de bijzon-dere belastingscombinatie waarbijeen vrachtwagen op de rand van hetviaduct staat?Om hier antwoord op te geven isde sterkte van de natte-knoopver-binding door TNO Bouw en TUDelft met een proef in het Stevin-laboratorium bepaald.2. Is het beton zonder beschermingdoor het asfalt voldoende duurzaam?Na het storten van de natte knoopwordt het bovenoppervlak van hetbrugdek eerst gehydrofobeerd,waarna asfalt wordt aangebracht.Op een aantal plaatsen was het uit-zagen van de randen na het asfalte-ren en daarna vullen met gietasfaltniet perfect gebeurd. Aan TNOBouw werd gevraagd een uitspraakte doen over de duurzaamheid vande natte-knoopverbinding op basisvan een modelmatige beschou-wing.S t e r k t eDe proef is gebaseerd op de maat-gevende situatie met twee flappenvan elk 3 m lang. Het proefstukbestond uit de volgende onderde-len (fig. 2):? een 6 m lange massieve balkvan geprefabriceerd gewapendbeton, die de buitenste kokerlig-ger representeert, en die metvoorspanstaven is gefixeerd aande laboratoriumvloer;? twee geprefabriceerde flappenvan elk 3 m lang;? een doorgaande natte-knoopver-binding tussen de twee flappenen de balk;? een doorgaande schampstrookop de twee flappen.Het proefstuk is door de Bouw-combinatie HSL Brabant Noord inhet Stevin-laboratorium opge-bouwd. De wapening in de natte-knoopverbinding bestond uitdubbele lusverbindingen en langs-wapening zoals aangegeven infiguur 2.Een overzicht van de beproevings-installatie is gegeven in figuur 3.Over het proefstuk zijn twee stalenframes geplaatst waarin zes hy-draulische vijzels zijn opgehangenmet een capaciteit van 200 kN elk.De posities van de vijzels kwamenovereen met het te onderzoekenlaststelsel op de hoek van ??n vande twee flappen.Tijdens de beproeving zijn de vol-gende metingen verricht (fig. 4):Verbinding in viaducten HSL-A16Sterkte en duurzaamheid vande natte knoopir. F.B.J. Gijsbers en dr. R.B. Polder, TNO Bouw, afdeling Civiele InfrastructuurTussen Amsterdam en de Belgische grens wordt de hogesnelheidstreinverbin-ding HSL-Zuid aangelegd. In bijna het gehele deeltraject Brabant Noord, tenzuiden van de Moerdijk tot aan Prinsenbeek, liggen de huidige spoorlijnDordrecht ? Breda, Rijksweg A16 en de HSL-Zuid naast elkaar. Gelijktijdig metde aanleg van de HSL-Zuid en de verlegging en verbreding van de RijkswegA16 wordt een groot aantal nieuwe viaducten gebouwd. Deze viaductenbestaan uit geprefabriceerde kokerliggers van voorgespannen beton met aanbeide zijkanten geprefabriceerde randconstructies van gewapend beton(`flappen'). Deze flappen zijn verbonden met de buitenste kokerliggers dooreen in het werk gestorte verbinding, de zogenoemde natte knoop (fig. 1).Door de Projectorganisatie HSL-Zuid en de Bouwcombinatie HSL BrabantNoord zijn vragen gesteld over de sterkte en de duurzaamheid van deze ver-binding. In dit artikel wordt ingegaan op de antwoorden op deze vragen en dehiertoe verrichte onderzoeken.1 |Aansluiting randcon-structie aan kokerligger:de natte knoopnatte knoopO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ebevestigingMetingen met elektronische drukdo-zen1. De kracht die wordt uitgeoefenddoor elk van de zes vijzels;Metingen met elektronische verplaat-singsopnemers2. De zakking van de uitkragenderand van de belaste flap op drieverschillende posities, namelijkop de beide hoeken en in hetmidden van de belaste flap;3. De zakking van de flap aan dezijde van de randbalk op dekopse kant van de natte knoop;4. De vervormingen aan de kopsekant van de natte knoop op tweeverschillende posities, namelijkover het schuine contactvlak(meetlengte 100 mm) en terhoogte van het midden van dedubbele lusverbinding (meet-lengte 500 mm);5. De vervormingen van de boven-zijde van de natte knoop op drieverschillende posities (meet-lengtes 500 mm);Scheurontwikkeling6. De scheurontwikkeling is aan-getekend aan de bovenzijde enaan de kopse kant van de natteknoop.De belasting is in stappen opge-bouwd tot de representatievewaarde van de wiellast van 50 kN.Daarna is in stappen doorbelasttot 70 kN (1,4 x 50 kN) per vijzel.Deze belasting komt overeen metde aan te houden rekenwaarde vande belasting door het laststelselvoor de uiterste grenstoestand.Ten slotte is in stappen doorbelasttot bezwijken van het proefstuk.B e p r o e v i n g s r e s u l t a t e nTijdens de beproeving bleek uit descheurontwikkeling en de vervor-mingen van het proefstuk dat debeide flappen in belangrijke matesamenwerken. De belasting wordt,dankzij de doorgaande schamp-strook en de doorgaande natte-knoopverbinding, ook in langs-richting afgedragen, waardoor nietalleen de natte knoop van debelaste flap over de volledigelengte van 3 m meewerkt, maarook de tweede flap en de daarbijbehorende natte knoop.Bij het begin van de beproevingwerkt uitsluitend het eigengewicht van de flap als belastingop de natte knoop. In die situatieis de natte knoop ongescheurd, af-gezien van enkele oppervlakkigecraquel?scheurtjes door uitdro-gingskrimp.Bij de representatieve waarde vande belasting, 50 kN per vijzel, wasde zakking van de belaste hoekvan de flap 4,5 mm. De vervor-ming van de natte knoop aan debovenzijde was 0,08 mm en deverlenging van de lusverbindingwas 0,05 mm. Binnen de be-treffende meetlengtes zijn tweenaden aanwezig, namelijk tussende natte knoop en de flap ener-cement 2004 61001200 400 4251851857001575256001001754?125?12bgls. ?12-125krimpnet ?8prefab uitkragingprefab balk2 |Doorsnede van het proef-stuk3 |Overzicht beproevingsin-stallatieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eves t ig i n gzijds en tussen de natte knoop ende randbalk anderzijds. Indien degemeten vervorming gelijk wordtverdeeld over beide naden, dan isde openstand per naad respectie-velijk 0,04 (bovenvlak) en 0,025mm (ter hoogte van de wapening).Na het opvoeren van de belastingtot de rekenwaarde voor de uiter-ste grenstoestand, 70 kN pervijzel, was de zakking van debelaste hoek toegenomen tot6,8 mm. Deze belasting is gedu-rende ??n uur constant gehouden.De zakking van de belaste hoeknam daarbij verder toe tot 7,2 mm.De openstand van de natte knoopaan de bovenzijde nam in dit uurtoe van 0,16 tot 0,18 mm. De ver-lenging van de lusverbinding namtoe van 0,12 tot 0,14 mm. Gelijkverdeeld over de beide naden aanweerszijden van de natte knoopbetekent dit een openstand pernaad van respectievelijk 0,09 en0,07 mm. In werkelijkheid zullende openstanden kleiner zijn doorde verlenging van de natte knoop.De vervormingen namen progres-sief toe bij vijzelkrachten groterdan 110 kN. Voor de verlengingvan de lusverbinding geldt dat bijeen verlenging van meer dan1 mm over de meetlengte van500 mm sprake zal zijn van plasti-sche vervormingen van het wape-ningsstaal. Dit volgt uit:? proportionaliteitsgrens FeB 500:circa 450 N/mm2? E-modulus staal :210 000 N/mm2? meetlengte lusverbinding :500 mmDe verlenging is (450/210 000) ?500 = 1,07 mm, een waarde die isgemeten bij een belasting van on-geveer 135 kN per vijzel.Het proefstuk is bezwekendoordat ongeveer over de diago-naal van de belaste flap een vloei-lijn ontstond. De maximaal be-reikte belasting bedroeg 180 kNper vijzel; 3,6 maal de representa-tieve waarde van de wiellast. Bijdeze belasting was de zakking vande hoek van de belaste flap toege-nomen tot 45 mm. De openstandvan de natte knoop aan de boven-zijde en de verlenging van dedubbele-lusverbinding bedroegenbij deze belasting respectievelijk7,2 en 5,4 mm.Het scheurenpatroon in de kopsekant van de natte knoop bij de be-zwijkbelasting is te zien in figuur5.Het draagvermogen van de be-proefde constructie is met 180 kNper vijzel 2,6 maal zo hoog als devereiste rekenwaarde van 70 kN.Geconcludeerd is dat daarmee hetdraagvermogen van de constructiemet twee aan elkaar verbondenflappen ruimschoots aan de ge-stelde sterkte-eis voldoet.cement 2004 6 1014 |Metingen met drukdozenen verplaatsingsopne-mers5 |Scheurpatroon bij maxi-male belasting (180 kNper vijzel)12345O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ebevestigingOpgemerkt wordt dat voor de on-derzochte belastingscombinatiegeen eisen aan de scheurwijdte ende vervorming worden gesteld,omdat het een bijzondere belas-tingscombinatie betreft in een ca-lamiteitssituatie, waarbij uitslui-tend eisen aan de sterkte wordengesteld. De scheurwijdten in degebruikssituatie zijn w?l relevantvoor de beschouwing van de duur-zaamheid.D u u r z a a m h e i dDe vraag of een levensduur vantachtig jaar gehaald kan worden,werd aangepakt met een model-matige beschouwing over de duur-zaamheid van het beton met hy-drofobering en zonder effect vanhet asfalt, inclusief mogelijkescheurvorming in de aanhecht-vlakken van de natte knoop.In grote lijnen is de DuraCreteaanpak gevolgd [1, 2, 3]. Voor mi-lieuklasse 3 zijn de agressieve in-vloeden: vorst-dooiwisselingen incombinatie met dooizouten, alkali-silicareactie (ASR) en wapenings-corrosie door carbonatatie en in-dringen van chloride. Schadelijkeeffecten van vorstdooi-invloedenen ASR kunnen worden vermedendoor een goede keuze van de be-tonsamenstelling. Corrosie doorcarbonatatie van het beton is bijkunstwerken nauwelijks vanbelang door een relatief hoge be-tonkwaliteit en een hoog vochtge-halte (geringe carbonatatiesnel-heid [3]). Samenvattend zijn de be-tonsamenstelling, de belastingmet chloride en de dekking op dewapening de belangrijkste facto-ren.De betonsamenstelling en dedekking worden gegeven in tabel1. Het beton van de natte knoopvoldoet aan eisen in VBT, ROBKen CUR Aanbeveling 89 met be-trekking tot dooizoutbestandheiden preventie van ASR: slakgehalte> 50%, wcf < 0,45. Bij deze lagewcf en hoge dekking is carbonata-tie inderdaad onbelangrijk.Kortom: de levensduur wordtbepaald door chloride-ge?nitieerdewapeningscorrosie.Er zijn voor de viaducten in deA16 geen expliciete eisen gestelddie gebruikt kunnen worden in le-vensduurmodellen. Daarom is eenbenadering gevolgd op basis vanervaring en analogie met bekendegegevens.De parameters voor chloridetrans-port volgens DuraCrete zijn hetoppervlaktechloridegehalte en dediffusieco?ffici?nt [1]. Het opper-vlaktegehalte komt tot stand inwisselwerking tussen de belastingmet chloride (concentratie, fre-quentie van dooizoutapplicatie) enhet beton.De agressiviteit waaraan kunst-werken onder dooizoutbelastingblootstaan is vergelijkbaar met ofgeringer dan die in de spatzone inzeemilieu [2]. Daarom wordt voorde natte knoop uitgegaan van hetspatzone-model. Dit is een `worstcase' scenario; het asfalt zal zekergedurende de eerste jaren zorgenvoor een lagere belasting die bo-vendien slechts enkele maandenper jaar duurt.Het oppervlaktechloridegehalte inde spatzone is ongeveer 3% (chlo-ride op cementgewicht). De diffu-sieco?ffici?nt voor chloride op 28dagen is volgens de TNO-databaseongeveer 4,5 ? 10-12m2/s; de verou-deringsexponent van DuraCretewordt aangehouden. Hiermee kanop ieder gewenst tijdstip een chlo-rideprofiel worden beschreven.Figuur 6 geeft berekende chloride-profielen na twintig, veertig entachtig jaar. Verder is het zoge-noemd kritisch chloridegehalteaangegeven. DuraCrete geeft geenwaarden voor het kritisch gehaltevan hoogovencementbeton;daarom is dat voor portlandce-mentbeton genomen (0,50% chlo-ride op cementmassa). Bij ditgehalte is de kans op initiatie vancorrosie 50%; onder het kritischgehalte is de kans kleiner dan 50%en wel afnemend naarmate hetgehalte lager wordt.Figuur 6 laat zien dat na tachtigjaar het kritisch gehalte is bereiktop een diepte van ongeveer35 mm. De kans op corrosie vanwapening op 35 mm is na tachtigjaar dus 50%. In het algemeen zalmen uit economische of veilig-heidsoverwegingen de `toelaat-bare' kans op corrosie kleinerwillen stellen dan 50%. Hetgehalte op 50 mm diepte natachtig jaar is 0,16%. Dit betekentdat voor het beton van de natteknoop zonder hydrofobering dekans op corrosie na tachtig jaar`klein' is.Om het effect van hydrofoberingin rekening te brengen zijn resul-taten van eerder onderzoek geana-lyseerd [4]. Hiervoor werden proef-stukken behandeld methydrofobeermiddelen en gedu-rende een jaar cyclisch benat metcement 2004 61023.02.52.01.51.00.50.00 10 20 30 40 50natte knooptijddiepte (mm)chloride(%opcement)20 beton40 beton80 beton20 hydrof40 hydrof80 hydrofkritisch gehalte6 |Berekende chloridepro-fielen op verschillendeouderdommen (in jaar)voor niet-gehydrofo-beerd (`beton') en gehy-drofobeerd beton(`hydrof') voor de natteknoopO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eves t ig i n gzoutoplossing en gedroogd. Naafloop werd het chloride-indring-profiel bepaald. Hieruit bleek dathet chloridegehalte bij het opper-vlak in gehydrofobeerd beton flinklager is dan in niet-gehydrofo-beerd beton: gemiddeld 1,65%tegen 5,9%, dus een verminderingmet een factor 3,6. Voorzichtig-heidshalve wordt voor de natteknoop een vermindering met eenfactor 2 aangenomen ten opzichtevan het oppervlaktegehalte voor despatzone van 3%, dus 1,5%.Met het oppervlaktegehalte voorgehydrofobeerd beton van 1,5% isopnieuw een diffusieberekeninggemaakt over tachtig jaar (zie fig.6). Hieruit blijkt dat het kritischgehalte na tachtig jaar gemiddeldis bereikt op een diepte van25 mm. Op 50 mm diepte is hetgehalte circa 0,08%, aanzienlijklager dan het kritisch gehalte. Dekans op corrosie is hier zeer klein.Hiermee kan worden gesteld datde veiligheidsmarge ten opzichtevan het kritisch gehalte zo groot is,dat de levensduur in orde is.Indicatief is ook een eindige le-vensduur van de hydrofoberingvan tien jaar verdisconteerd.Daaruit bleek dat het chloridege-halte na tachtig jaar 0,5% is op eendiepte van 27 mm en 0,03% op50 mm. De kans op corrosie natachtig jaar is daarmee zeer klein.Samenvattend kan worden gestelddat hydrofoberen van het betonvan de natte knoop na tachtig jaarleidt tot een zeer laag chloridege-halte bij de wapening op 50 mm.De kans op corrosie daardoor is teverwaarlozen.S c h e u r v o r m i n g e nd u u r z a a m h e i dWijde scheuren in het bovenop-pervlak rond de natte knoopzouden toetreding van chloridekunnen bevorderen en daardoorde duurzaamheid kunnen bedrei-gen. Daarom werd mogelijkescheurvorming door mechanischebelasting van de flappen en krimpvan het beton van de natte knoopnader beschouwd.In de gebruikssituatie is alleensprake van belasting door eigengewicht. Dit is dus gunstiger dande calamiteitenbelasting door hetvoertuig, waarbij uit de proef bleekdat zelfs in die situatie de scheur-wijdte kleiner is dan 0,1 mm.Scheurvorming zou ook kunnenoptreden door krimpverkortingvanwege uitdroging en hydratatie,doordat de natte knoop is gestorttussen de reeds verharde prefabligger en de flap. De verwachte uit-eindelijke krimp is circa0,3 mm/m. Bij een breedte van400 mm en gelijkmatige verdelingover twee scheurvlakken is demaximale scheurwijdte 0,06 mm.Op beide aspecten blijkt dat de inmilieuklasse 3 toelaatbare scheur-wijdte van 0,2 mm (VBC) nietwordt overschreden. Daaromhebben de mogelijk aanwezigescheuren geen negatieve invloedop de duurzaamheid.C o n c l u s i e sVoor de ter plaatse gestorte verbin-ding tussen de prefab kokerliggeren de uitkragende randconstructie(flap) in een reeks viaducten langsde HSL-Zuid/A16 - genoemd denatte knoop - is met een proef aan-getoond dat deze de calamiteitsbe-lasting door een vrachtwagen metde vereiste veiligheid kan dragen.Verder is aangetoond dat geenschadelijke scheurvorming zal op-treden, noch door mechanischebelasting, noch door krimp. Doorde hydrofobering van het boven-vlak van de natte knoop wordt in-dringen van chloride uit dooizou-ten effectief tegengegaan over tenminste tachtig jaar. Hiermee isaangetoond dat zowel de sterkteals de duurzaamheid van de natteknoop voldoet aan de gesteldeeisen. L i t e r a t u u r1. DuraCrete Final TechnicalReport, Document BE95-1347/R17, DuraCrete ? Proba-bilistic Performance basedDurability Design of ConcreteStructures. CUR, 2000.2 Siemes, A.J.M., R.B. Polder, J.de Vries en S.E. van Manen,Duurzaamheid boortunnels:probabilistische benadering.Cement 1999 nr. 5.3 Polder, R.B. en J. Gulikers,Modelleren van corrosie vanwapening in beton ? realiteitof illusie? Cement 2001 nr. 5.4 Borsje, H., R.B. Polder en J. deVries, Hydrofoberen vanbeton. Cement 1996 nr. 7/8.cement 2004 6 103Tabel 1 | Betonsamenstelling en dekking natte knooponderwerp waardesterkteklasse B 45milieuklasse 3cementsoort en -gehalte, CEM I 52,5 R 15 kg/m3zomermengsel CEM III/B 42,5 LH HS 385 kg/m3(69% slak)idem, wintermengsel CEM I 52,5 R 75 kgCEM III/B 42,5 LH HS 325 kg(59% slak)water-cementfactor 0,44dekking rijdekzijde 50 mm