C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBouwputtencement 2004 1 4118.220-3.500+ca. 41.200-2252905101520250 5 10 15 20 25 30kw/kp = 4 kw/kp = 3 kw/kp = 5 kw/kp = 2,6 kw/kp = 1vervorming(mm)breedte (m)Een bouwkuip bestaat altijd uiteen wand, een vloer en palen(fig. 1). De wand kan bestaan uitdamwand, combiwand of diep-wand,verankerdofgesteunddoorstempels in ??n of meer lagen. Deontgravingvandebouwkuipheeftonder water plaats. Na ontgravingworden de palen aangebracht:betonnen heipalen, vibrocom-palen, Gewipalen of MV-palen.Indeberekeningwordendepalenen de bouwkuipwand geschema-tiseerdalslineaireveren.Depalenhebben elk hun eigen veerkarak-teristiek, evenals elk type wand.De verhouding tussen de ver-schillende veerkarakteristiekenbepaalt de spanning in het onder-waterbeton.Als de veerkarakteristiek van depaal bekend is, hetzij berekend,hetzij gemeten in andere projec-ten, kan de berekening wordenuitgevoerd. Hierbij worden ver-schillende variaties in stijfhedenvan damwand en paal (kw/kp) in-gevoerd. Uit diverse praktijk-metingen met prefab palen envibro-combinatiepalen is een ver-houding kw/kp= 2 ? 3 gebleken.Gezien de gegevens van de ont-vangstschacht is in de berekeninggevarieerd met een verhoudingkw/kpvan 1 tot 5 (fig. 2).Met de variatie in stijfheids-verhoudingen en verschillendedikten van het onderwaterbetonzijn de momenten berekend,waaruit de in figuur 3 aangegevenir. W.J. Bouwmeester-van den Bos en ing. C. Huisman,HBG Civiel / Delta Marine ConsultantsDe ontvangstschacht van de Botlekspoortunnel heeft een diepte van 22 m, bijeen waterdruk van 18 m. De schacht is uitgevoerd als een bouwkuip metcombiwanden en een onderwaterbetonvloer met Gewipalen als trekpalen.Bijzonder in dit project is dat het onderwaterbeton niet ongewapend, maarmet staalvezels is uitgevoerd.-0,500,000,501,001,502,002,503,000 1 2 3 4 5 6trekspanning(N/mm2)kw/kph = 1,10 h = 1,25 h = 1,40 toelaatbaarspanningen volgen. Hieruit blijktdat bij een stijfheidsverhoudingkw/kp> 2 de spanningen groterworden dan de toelaatbare trek-spanning. Voor B 25 is de toelaat-bare trekspanning 1,15 N/mm2.Toename van de dikte van hetonderwaterbeton geeft geen op-lossing, omdat dan ook demomenten en spanningen toe-nemen.1 | Ontvangstschacht metdamwand, vloer en palen2 | Berekende vervormingbij verschillende stijf-heidsverhoudingen alsfunctie van de bouwput-breedte3 | Spanningen in onderwa-terbeton bij verschillen-de vloerdiktenOntvangstschacht BotlekspoortunnelBouwkuip met staalvezel-gewapend onderwaterbetonC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBouwputtencement 2004 142T o e p a s s i n g s t a a l v e z e l sAls de toelaatbare spanningenwordenoverschredenis??nvandemogelijkheden het toepassen vanstaalvezels in het onderwaterbe-ton. Staalvezelbeton is volgensNEN 6720 beton waaraan staal-vezelszodanigzijntoegevoegd,datdeze zo gelijkmatig mogelijk zijnverdeeld. Staalvezels verhogennietdedruk-entreksterktevanhetbeton, doch het anders brossemateriaalkrijgteentaaigedrag.Demomentcapaciteit wordt vergroot,waardoor een herverdeling vanmomenten en dus van spannin-gen mogelijk wordt. Het aantal endevormvandestaalvezelsbepalende extra momentcapaciteit. Toe-passingvanstaalvezelsiszinvolbijdiepe bouwputten (> 15 m) en bijgrote stijfheidsverschillen tussenwand en paal.Met een diepte van 22 m en detoepassing van een combiwanden Gewipalen, met een grootstijfheidsverschil, is voor deontvangstschacht gekozen vooronderwaterbeton gewapend metstaalvezels. De gebruikte staalve-zel is Dramix type RC-80/60-BNvan Bekaert, een rechte vezel methaken om de aanhechting teverbeteren (fig. 4).Toepassing van staalvezels inonderwaterbeton houdt in dat ereen berekening moet wordengemaakt en dat deze keuzeinvloed heeft op de uitvoering.De staalvezels hebben een ver-mindering van de verwerkbaar-heid van het beton tot gevolg,hetgeen juist bij onderwater-beton ongewenst is. Er is eenonderzoekstraject opgezet omeen mengsel te ontwikkelen ente beproeven waarmee het ge-wenste resultaat kan wordenbereikt.B e r e k e n i n g s m e t h o d eDe basis van de berekening isontleend aan de Duitse DBV-aan-beveling. Ook met CUR-Aan-beveling 35, die hieraan is gere-lateerd, is rekening gehouden.Voor de berekening van staal-vezelbeton zijn twee karakte-ristieken van belang:- fct,eq,300: de equivalente buig-sterkte bij een doorbuigingvan l/300;- fct,eq,150: de equivalente buig-sterkte bij een doorbuigingvan l/150.Deze waarden worden bepaald uitvierpuntsbuigproeven, waarvanin figuur 5 een voorbeeld is opge-nomen. Uit de grafiek kan deequivalente buigsterkte wordenbepaald door integratie van hetoppervlak van de grafiek totrespectievelijk een vervormingvan 1,5 mm en 3,0 mm.fct,eq,300= Fm,300? l/bh2fct,eq,150= Fm,150? l/bh2waarin:b is de breedte van het proef-stuk; (=150 mm)h is de hoogte van het proef-stuk; (= 150 mm)l is de overspanning; (= 450mm)Fm,300is het oppervlak van hetdiagram tot 1,5 mm;Fm,150is het oppervlak van hetdiagram tot 3,0 mm.Er zijn voldoende literatuurwaar-den beschikbaar om de bereke-ning te kunnen uitvoeren zondereerst proeven te moeten doen.Om de berekeningsmethode tevereenvoudigen, is het spanning-rekdiagram geschematiseerd vol-gens figuur 6. De eerste scheurontstaat bij fbr, de representa-tieve buigtreksterkte volgensNEN 6720, die daarna terugvaltnaar ? fbren reduceert tot ? fbr.De waarden van en wordenbepaald door de verhouding vanrespectievelijk fctm,eq,300en fctm,eq,1500,05,010,015,020,025,030,035,040,00,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000belasting(kN)verplaatsing (mm)5 | Kracht-verplaatsings-diagram uit vierpunts-buigproef op staalvezel-beton6 | Spanningen en rekkenin doorsnede staalvezel-betonvloer4 | Toegepaste staalvezelsC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBouwputtencement 2004 1 43met de gemiddelde buigtrek-sterkte, waarin: fbris de na-scheurtreksterktevan staalvezelbeton nascheuren; fbris de na-scheurstreksterk-te van staalvezelbeton inuiterste vezel.De waarde ? ? fbris de waarde diegeldt bij een rek van 5.Mp= N'b? zb+ Nsv;0? zsv;0+ Nsv;g;1? zsv;g;1+ Nsv;g;2? zsv;g;2+ Nd? zd.waarin:Mpis het maximaal opneem-baar moment als functievan de scheurdiepte s;N'bis de resultante van debetondrukzone;Nsv;0is de resultante van span-ningen in het onge-scheurde deel van de trek-zone;Nsv;g;1is een deel van de resul-tante van de spanningenin het gescheurde deel vande trekzone;Nsv;g;2is een deel van de resul-tante van de spanningenin het gescheurde deel vande trekzone;Ndis de normaalkracht;s = ? h is de scheurdiepte.Met bovenstaande formules kaneen M-N--diagram worden ge-maakt waaruit het moment Mpkan worden bepaald. Door x tevarieren tussen 1/2 h en 0 is itera-tief een oplossing te bepalen enontstaat een grafiek als figuur 7.In figuur 7 zijn drie M-N--dia-grammen getekend, zonder ve-zels, met vezels en met vezels ennormaalkracht, waaruit duidelijkde grote invloed van de vezelsblijkt.Met bovenstaande benadering ishet mogelijk een eindberekeninguit te voeren waarin de onderwa-terbetonvloer als elastisch onder-steunde ligger wordt ingevoerd.In het rekenprogramma moet demogelijkheid zijn om een plas-tisch moment Mpals bovengrensin te voeren. Het programmarekent dan automatisch met her-verdeling van momenten. Hetmoment Mpmoet met een mate-riaalfactor worden verlaagd omvoldoende veiligheid in de con-structie te cre?ren.M e n g s e l o n d e r z o e kStaalvezels vergroten het speci-fieke oppervlak en daarmee dewaterbehoefte van het mengsel.Aangezien de verwerkbaarheid??n van de belangrijkste eigen-schappen van onderwaterbetonis, moet de mengselsamenstel-ling worden aangepast aan degewenste verwerkbaarheid.Om dit te bereiken is eersteen laboratoriumproef uitge-voerd,gevolgddooreenproefstortom de eigenschappen van hetmengsel in praktijkomstandighe-den te testen. Vanwege de ver-werkbaarheid is het gebruik vanstaalvezels op maximaal 30 kg/m201002003004005006007000 0,0000002 0,0000004 0,0000006 0,0000008 0,000001 0,0000012 0,0000014 0,0000016 0,0000018 0,000002c - met normaalkracht en vezelsa - met vezelsb - zonder vezelsM(kNm)0501001502002503003504004505005506006507000 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300zetmaat vloeimaat schudmaat zetmaat vloeimaat schudmaatmet staalvezels:zonder staalvezels:meetwaarde(mm)tijd (min.)7 | M-N--diagrammenstaalvezel-onderwater-betonvloera | Mpals fctm,eq,300= 2,7;fctm,eq,150= 2,5en N = 0b | Mpals fctm,eq,300= 0;fctm,eq,150= 0en N = 0c | Mpals fctm,eq,300= 2,7;fctm,eq,150= 2,5en N = 500 kN8 | Terugloop verwerkbaar-heid onderwaterbetonmet en zonder staalve-zels in de tijd, specie-temperatuur 20 ?CC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBouwputtencement 2004 144vastgesteld. Bij meer vezels is heteffect op de verwerkbaarheid tegroot. Misschien dat dit metgebruik van de nieuwe generatiesuperplastificeerders nu wel mo-gelijk is.Bij het laboratoriumonderzoek isde verwerkbaarheid direct naaanmaak gemeten, alsmede hetverloop ervan in de tijd (fig. 8). Indeze grafiek is de verwerkbaar-heid gegeven van het standaard-onderwaterbetonmengsel en vanhet mengsel met staalvezels. Hetblijkt dat de verwerkbaarheid vanhet mengsel met staalvezels beteris dan die van het standaard-mengsel.In de laboratoriumproef is hetmengsel vastgesteld, waarna eenproefstort is uitgevoerd om eendrietal punten in de praktijk teervaren:9 | R?ntgenopnamen cilin-der onderwaterbeton10 |Drooggepompte onder-waterbetonvloer? het doseren van de staalvezelsen de verdeling in het beton;? het pompen van beton metstaalvezels;? het vloeigedrag van het meng-sel onder water.Hetproefstortisuitgevoerdineenvoor ditdoel aangelegdbassinvan3 x 10 m2.Voor controle op de verdeling vande staalvezels in het onderwater-beton zijn na verharding cilindersgeboord, waarvan r?ntgenop-namen zijn gemaakt. Uit foto 9blijkt dat de vezels goed zijnverdeeld. Het pompen van betonmet staalvezels blijkt zeer goedmogelijk. Wel is gebleken dat deuitvoering gevoeliger is voorafwijkingen in het mengsel. Eeniets mindere verwerkbaarheidzorgt voor meer kans op verstop-pingen. Het vloeigedrag onderwater is bevredigend, wel ietsminder dan van normaal onder-waterbeton, maar nog steeds zeeracceptabel.U i t v o e r i n gNaar aanleiding van de goedeervaringen met zowel de bereke-ning als het mengselonderzoek isop 23 en 24 augustus 1999 deonderwaterbetonvloer van deontvangstschacht gestort. Hetstorten is goed verlopen. Het isgebleken dat een stortsnelheidvan 80 m3/h voor beton met staal-vezels realiseerbaar is. Er is eenaantal vertragingen in het stortenopgetreden, die voor het meren-deel te maken hadden met het feitdat storten met een dergelijkmengsel kritischer is. Onnauw-keurigheden in productie, aan-voer en verwerking leiden directtot vertragingen. Een constantekwaliteit is noodzakelijk.Na het storten en verharden vanhet beton is de bouwkuip droog-gepompt. Het resultaat is bijzon-der goed te noemen: een drogebouwput, met een redelijke vlak-ke vloer (foto 10).Onderwaterbeton met staalvezelsis dus goed mogelijk.