O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2006 378Het grote voordeel van ontwerpenop prestaties is dat niet alleen con-structieve eisen, maar ook bijvoor-beeld eisen met betrekking totduurzaamheid, al in het ontwerpkunnen worden meegenomen.Bovendien worden op deze wijzeniet alleen eisen vastgelegd voorde constructie bij oplevering,maar voor zijn gehele levensduur.Dit geeft de mogelijkheid om ooktijdens de exploitatie de toestandvan de constructie te volgen,omdat op ieder tijdstip bekend iswat de prestatie van de constructieminimaal moet zijn. Hierdoor kantevens een effici?nt beheersy-steem worden opgezet, inclusiefmogelijk onderhoud en reparatie.De beheerstrategie kan al in deontwerpfase worden gekozen,zodat ontwerp en beheer op elkaarkunnen worden afgestemd. Hoe-wel het raamwerk voor op presta-ties gebaseerd management inessentie al is ontwikkeld, zijn debenodigde rekenmodellen enbeheergereedschappen dat nogniet. De doelstelling van DelftClusterproject 02.30 is om deze teontwikkelen in samenwerkingmet het bedrijfsleven zodat de toe-pasbaarheid van de methode gega-randeerd is.H u i d i g e o n t w e r p m e t h o d eBij het ontwerpen van betoncon-structies wordt in eerste instantiegekeken naar de functionele eisenwaaraan de constructie moet vol-doen. Op basis hiervan worden deconstructieve eisen vastgesteld,bijvoorbeeld het draagvermogen.De constructieve eisen leiden toteisen met betrekking tot bijvoor-beeld de geometrie van de con-structieve elementen en de mate-riaaleigenschappen van onderandere het wapeningsstaal en hetbeton. De prestaties van construc-ties zijn echter meestal niet con-stant in de tijd. Zo kan het draag-vermogen van betonconstructiesover het algemeen afnemen in detijd ten gevolge van (micro-)scheurvorming. Hiermee wordt inde huidige bouwvoorschriftenrekening gehouden door uit tegaan van een langeduur-druk-sterkte die lager is dan de druk-sterkte bij oplevering. Deze lange-duurwaarden zijn gebaseerd opmet name experimenteel onder-zoek en gelden voor de levens-duur zoals in de bouwvoorschrif-ten is gegeven, bijvoorbeeldtachtig jaar voor bruggen en vijftigjaar voor de meeste andere con-structies.De hiervoor geschetste ontwerp-methode kent een aantal beper-kingen die vragen om herbezin-ning van de huidige situatie. Debelangrijkste beperkingen zijn devolgende:? ontwerpen op andere prestatie-eisen dan constructieve eisen isniet mogelijk. Duurzaamheids-eisen zijn wel opgenomen,maar deze zijn beperkt tot opervaring gebaseerde eisen metbetrekking tot de betonsamen-stelling;? hoewel in de bouwvoorschriftenrekening wordt gehouden meteen zekere mate van variatie inde uitvoeringskwaliteit (opgeno-men in de veiligheidsfactoren),is het niet mogelijk deze expli-ciet mee te nemen;? er wordt van uitgegaan dat,indien de constructie isgebouwd zoals ontworpen, deconstructie gedurende zijnlevensduur zal voldoen. In prin-cipe betekent dit dat er geenonderhoud wordt voorzien. Inwerkelijkheid worden construc-ties regelmatig ge?nspecteerd,niet alleen om onvoorzien falente ondervangen, maar ookomdat met name aan het eindevan de levensduur toch ver-wacht wordt dat schade enmogelijk falen van de construc-tie zal optreden. Bij deze wijzevan beheer is het niet mogelijkom een effectiever inspectie- ofmonitorsysteem op te zetten.Evenmin is het mogelijk pre-ventief onderhoud te plegen.Al deze nadelen kunnen wordenondervangen door middel van opprestaties gebaseerd beheer vanbetonconstructies.O p p r e s t a t i e s g e b a s e e r db e h e e rOp prestaties gebaseerd beheer iseen uitbreiding van de huidigeontwerpmethode, in de zin dat?lle belastingen in het ontwerpworden meegenomen. Dit bete-kent dat niet alleen constructievebelastingen maar ook belastingenvanuit het milieu (chloriden, CO2),brand enz. worden meegenomen.Delft Clusterproject 02.30 van startSlim duurzaam beheer vanbetonconstructiesdr. J.H.M. Visser, TNO Bouw en Ondergrondprof.dr.ir. K. van Breugel, TU Delft, fac. CiTGDe ontwikkeling van een rationeel ontwerp en beheer van betonconstructiesneemt de laatste jaren een grote vlucht. Met name het ontwerp wordt steedsvaker op basis van levensduur en prestaties uitgevoerd in plaats van op basisvan alleen constructieve eisen, zoals draagvermogen. Het Delft Clusterproject02.30: `Slim duurzaam beheer van betonconstructies' beoogt nu ook debenodigde rekenmodellen en gereedschappen te ontwikkelen die op presta-ties gebaseerd beheermanagement mogelijk moeten maken.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaam heidcement 2006 3 79Bovendien wordt het ontwerp inte-graal met de overige levensfasenvan de constructie (bouw en exploi-tatie) opgezet. De methode wordtdaarom ook vaak `Design-Con-struct-Maintain' (DCM) genoemd.De integrale beschouwing is moge-lijk. omdat op prestaties gebaseerdbeheer uitgaat van een constructiedie niet alleen de belastingen kandragen op het moment dat deze isgebouwd, maar ook gedurende zijnlevensduur (zie kader). Dit houdt indat tijdsafhankelijke prestaties wor-den gedefinieerd die aangeven hoe,en hoe snel, de prestaties in de loopvan tijd achteruitgaan. Op hetmoment dat een prestatie onder deeis komt, is de levensduur van deconstructie formeel ten einde.Door de definitie van (tijdsafhan-kelijke) prestaties wordt het moge-lijk om ontwerp, bouw en onder-houd te koppelen:? in het ontwerp kan rekeningworden gehouden met hetbouwproces. Er kan bijvoor-beeld worden gekozen voor eenhogere bouwsnelheid ten kostevan de kwaliteit (prestatie), ofjuist extra kwaliteit bij kritischeprestaties, waarbij de kosten vande maatregelen die moeten wor-den genomen ten behoeve vandeze kwaliteit, lager zijn dan hetverlies aan levensduur indiendeze maatregelen niet zoudenworden genomen;? in het ontwerp kan onderhoudal worden meegenomen. Indiener geen voorzien onderhoudwordt geaccepteerd (onder-houdsarm ontwerp) moeten alleprestaties van de constructiegedurende de gehele levens-duur boven hun prestatie-eisblijven. Bij voorzien onderhoudwordt daarentegen geaccepteerddat tijdens de levensduur van deconstructie een prestatie onderzijn eis zal komen en wordt inde ontwerpfase al bepaald welkeonderhoudsmaatregelen (repa-reren, verstevigen, vervangenenz.) zullen worden genomen.De keuze voor een onderhouds-arme constructie of een con-structie met onderhoud wordtover het algemeen gebaseerd opbasis van kosten;? met het vastleggen van alleprestatie-eisen in het ontwerp ishet beheerplan van de construc-tie grotendeels vastgelegd. Tenslotte is nu bekend welke pres-taties afnemen in de tijd en hoesnel dit plaatsheeft. Op basishiervan kan een monitor- ofinspectieplan worden gemaakt,om de toestand van de construc-tie vast te stellen. Hieruit kande afname van de prestatie-eisen worden bepaald en devoorspelling van de levensduurworden ge-update. Dit geefttevens de mogelijkheid onder-houd vroegtijdig in te plannenen het is nog mogelijk om ookP r e s t a t i e - e i s e n e n l e v e n s d u u rBetonconstructies worden zodanig ontworpen dat ze gedurende hun levens-duur in staat zijn de beoogde belasting te dragen. Dit betekent dat de weer-stand van de constructie R tegen de belasting groter moet zijn dan het effectvan de belasting S: Z = R ? S > 0. Omdat zowel de belasting als de weer-stand tegen de belasting kan vari?ren, wordt bij de berekening van Z nietuitgegaan van een gemiddelde waarde, maar van een kans dat Z kleinerwordt dan 0. Deze zogenoemde faalkans P moet kleiner zijn dan een voorafgedefinieerde, geaccepteerde faalkans Pacc: P{Z < 0} < Pacc. Deze faalkansgeldt gedurende de hele levensduur L van de constructie: P{Z < 0}L < Pacc.Dit is de prestatie-eis waaraan de constructie moet voldoen.De prestatie P{Z < 0} zal niet constant blijven gedurende de levensduurvan een constructie. Veel belastingen nemen in de tijd toe, bijvoorbeeld eentoenemende verkeersbelasting op viaducten, en de weerstand tegen de belas-ting neemt vaak af, bijvoorbeeld een afname van draagcapaciteit tengevolge van scheurvorming. Hierdoor neemt ook Z af in de tijd en neemt deprestatie af. Wanneer de prestatie zover is afgenomen dat deze zijn presta-tie-eis overschrijdt, is de levensduur van de constructie ten einde.Omdat er verschillende belastingen op een constructie kunnen werken, moetde constructie aan verschillende prestatie-eisen voldoen. De levensduur vande constructie is in principe ten einde zodra ??n van deze prestatie-eisenwordt overschreden.RS501001502002503005010015020025030050100150200250300 RS0 500 1000 1500 2000-1012345levensduur (eis= 3,6) = 50 jaargemiddelde levensduur:1700 jaarouderdom (jaar)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2006 380uit preventieve onderhouds-maatregelen te kiezen indien deprestaties sneller afnemen danwas voorzien. Bovendien kaneen betere keuze uit onder-houdstechnieken wordengemaakt, omdat precies bekendis welke prestatie de techniekmoet verbeteren. Kortom, opdeze wijze is een kostenbespa-rend en effici?nter beheer vanbetonconstructies mogelijk;? ook de bouw en het onderhoudzijn nu gekoppeld. In het ont-werp is vastgelegd wat de pres-taties bij oplevering van de con-structie moeten zijn, om bij eenvoorspelde afname van de pres-tatie een zekere levensduur tekunnen halen. Hierdoor kan bijde kwailiteitscontrole bij opleve-ring worden vastgesteld of dezelevensduur inderdaad wordtgehaald. Indien een lagere pres-tatie is gerealiseerd dan wasontworpen, kan nog een vroeg-tijdige afweging wordengemaakt hoe de prestatie wordtverbeterd. Bij een hogere presta-tie kan mogelijk de inspectiefre-quentie worden verlaagd.Ofschoon een op prestaties geba-seerd beheer veel voordelen heeft,moeten we constateren dat dit nogmaar op zeer beperkte schaal wordttoegepast. Toch zijn er inmiddelsgoede voorbeelden te noemen waareen begin is gemaakt met dezevorm van beheer. Zo worden er bijveel constructies waar corrosie vande wapening wordt verwacht, opgezette tijden chloridemonstersgenomen om de voortschrijdingvan de chloride-indringing te kun-nen volgen en te kunnen voorspel-len wanneer initiatie van corrosiekan optreden, zodat nog preventiefonderhoud kan worden gepleegd.Pas recent is geprobeerd om demethode in zijn geheel toe te pas-sen, onder meer bij de Groene HartTunnel. Hierbij is het duidelijkgeworden dat er nog veel ontbre-kende puzzelstukjes zijn, maar zijntevens de voordelen van het toepas-sen van de DCM-methode duidelijknaar voren gekomen. Hierdoor iser vanuit de bouw een enorme sti-mulans gekomen om het resteren-de deel van het raamwerk in te vul-len, zodat de methodegemakkelijker en met meer ver-trouwen kan worden toegepast.D e l f t C l u s t e r 0 2 . 3 0p r o g r a m m aBinnen het Delft Cluster pro-gramma (zie kader) is in het DC-project 02.30: `Slim duurzaambeheer van betonconstructies'een onderzoeksprogramma opge-steld om de op prestaties geba-seerde beheermethodiek verder teontwikkelen. Het onderzoekspro-gramma richt zich met name opde invloed van tijdsafhankelijkeaantastingsprocessen en inbeperktere mate van constructie-ve belastingen op de levensduurvan betonconstructies. DC-project02.30 is opgebouwd uit vier werk-pakketten die globaal de verschil-lende levensduurfasen van eenconstructie beschouwen: ont-werp, bouw en exploitatie (fig. 1).De laatste fase is onderverdeeldin monitoren en toestandsbepa-ling enerzijds en reparatie enonderhoud anderzijds. Ten slotteis een vijfde werkpakket gedefini-eerd waarin het hele raamwerkwordt beschouwd voor zowelgewapend-betonconstructies alsvoor voorgespannen betoncon-structies.D e l f t C l u s t e rDelft Cluster is een open netwerk en verricht ten behoeve van de GWW-sector onderzoek op het gebied van duurzame inrichting van deltagebieden.In Delft Cluster participeren zes kennisinstituten, waaronder TNO en deTU Delft. Vanuit de overheid wordt 33% van het onderzoeksgeld bijgedra-gen uit de aardgasbaten, de zogenoemde BSIK-gelden. De kennisinstitutendragen eveneens 33% van het budget bij. Het resterend budget komt vanhet Nederlandse bedrijfsleven. Binnen Delft Cluster zijn in totaal negentienprojecten, georganiseerd binnen zes kernthema's, gedefinieerd. Het projectDC02.30 'Slim duurzaam beheer van betonconstructies' is ??n van dezeprojecten en valt onder het kernthema `Blijvend Vlakke (spoor-)wegen'. Hetheeft een omvang van 3,5 miljoen en zal worden uitgevoerd in de periode2004-2008. Voor meer informatie: www.delftcluster.nlwerkpakket 1:ONTWERPwerkpakket 2:BOUWEXPLOITATIEwerkpakket 3:toestandsbepaling & monitorenwerkpakket 4:reparatie & onderhoudwerkpakket 5:MANAGEMENTRAAMWERK1 |De werkpakkettenbeschouwen de verschil-lende levensduurfasenvan een constructieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaam heidcement 2006 3 81Werkpakket 1:Modellering duurzaamheidModellen die het verloop van eenprestatie tijdens de levensduurvan een constructie beschrijvenvormen de basis van het prestatie-gericht beheer. Het doel van ditwerkpakket is dan ook het (verder)ontwikkelen van deze modellen.Specifiek wordt binnen dit werk-pakket onderzoek verricht naarhet transport van water en schade-lijke stoffen, omdat deze de domi-nante factor zijn in veel aantas-tingsmechanismen. Een juistemodellering van het transport vanwater, gassen en ionen door betonis daarmee cruciaal om tot eenjuiste levensduurvoorspelling tekunnen komen. Voor twee aantas-tingsmechanismen, namelijkAlkali-SilicaReactie (ASR) (foto 2)en Vorstdooizoutbestandheid(VDZB) is het voorspellen vanaantasting van beton nog nietmogelijk. Daarom zijn in deNederlandse praktijk betonsamen-stellingseisen vastgelegd die scha-de ten gevolge van deze aantas-tingsmechanismen moetenvoorkomen. Dit is een mogelijkonnodige restrictie. Op de langetermijn is het bovendien ookmogelijk een onhoudbare restrictie.Met de afname van primairegrondstoffen en een toenemendedruk vanuit de maatschappij omsecundaire grondstoffen te gebrui-ken, zal het gebruik van ASR- ofvorstgevoelige grondstoffen en/ofbetonsamenstellingen op termijnonvermijdelijk zijn. In twee pro-motieonderzoeken worden dehiervoor genoemde aantastings-vormen verder onderzocht.Getracht wordt te komen totmodellen waarmee schade tengevolge van deze aantastingsme-chanismen kan worden voorspeld,ongeacht de betonsamenstelling.Het ontwikkelen van aantastings-modellen heeft weinig praktischnut indien in de voorschriften desamenstellingseisen voor betonals functie van de milieuklassegehandhaafd blijven. Met de nieu-we Europese betonnorm NEN-EN206 is er echter een mogelijkheidgecre?erd om hetzij beton samente stellen op basis van milieuklas-se hetzij om aan te tonen dat hetbeton voldoet aan de prestatie-eisen die zijn gesteld. Hoe dit laat-ste moet, wordt echter aan de lid-staten zelf overgelaten. Insamenwerking met de CUR enhet Nederlandse bedrijfslevenwordt er daarom naar gestreefdtot een CUR-Aanbeveling tekomen waarin een procedurewordt vastgelegd waarmee deprestatie van beton met betrek-king tot aantasting vanuit hetmilieu kan worden bewezen,inclusief versnelde experimentelemethoden.Werkpakket 2: UitvoeringTijdens de uitvoering is hetbelangrijkste doel dat de construc-tie wordt gebouwd zoals deze isontworpen. Wanneer een con-structie perfect wordt gebouwd,zullen alle prestatie-eisen preciesworden gerealiseerd. Om een opti-maal bouwproces te ontwikkelen,zouden de prestaties na de bouwvoorspelbaar moeten zijn op basisvan uitvoeringsfactoren zoalsnabehandeling en verhardings-condities. De invloed van de nabe-handeling op de betonkwaliteit isin de eerste tranche van DelftCluster onderzocht. In DC2 zal deinvloed van de verharding op deprestaties worden onderzocht. Hetdoel is om tot een handboek tekomen voor een scheurvrije con-structie, op basis van variatie inmateriaaleigenschappen en uit-voeringsfactoren.Werkpakket 3:Toestandsbepaling en monitorenVaststellen van de toestand vaneen constructie is belangrijk om tekunnen bepalen of deze nog veiligis of om de resterende levensduurte bepalen. Vandaag de dag is demeest toegepaste manier om detoestand te bepalen de (min ofmeer) incidentele inspectie. Detoestandbepaling op basis van opprestaties gebaseerd beheer volgteen andere strategie: vooraf isvoorspeld hoe snel individueleprestaties verlopen. Deze wordendan tijdens het gebruik van deconstructie gevolgd. Omdat diteen nieuwe manier van toestand-bepaling is waarmee nog weinigervaring is opgedaan en veel vande voorspellende modellen nog inde praktijk moeten worden gevali-deerd, is er een pilot-project opge-zet voor de Groene Hart Tunnelwaarin een monitorsysteem isontworpen voor corrosie van dewapening. Het monitorsysteem isingebouwd en zal worden getoetstop efficiency en betrouwbaarheid.Het prestatiegericht beheer isalleen mogelijk indien modellenbeschikbaar zijn waarmee hettijdsafhankelijke gedrag van deconstructie op basis van meetbarevariabelen kan worden voorspeld.Voor constructies met een lagetreksterkte ten gevolge van ASR ofandere aantastingsmechanismenis dit momenteel nog niet moge-lijk. Nederland heeft echter eengroot aantal constructies waarvanbekend is of vermoed wordt dat zeaangetast zijn door ASR, dan weleen lage treksterkte hebben.Onduidelijk is of deze construc-ties nog veilig genoeg zijn, en watde restlevensduur is. Hierdoorkan niet worden bepaald of repa-ratie van deze constructies nogloont en wat de meest effici?nteonderhoudsmethode is. Binnendit deelproject wordt daaromgeprobeerd modellen af te leidenwaarmee de betrouwbaarheid van2 |Voorbeeld van ASRO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2006 382door ASR aangetaste constructiesof constructies met een lage trek-sterkte kan worden bepaald enwordt tevens bepaald welke varia-belen moeten worden gemeten ofgemonitord om verdere aantastingen afname van het draagvermo-gen te kunnen volgen.Werkpakket 4:Reparatie en onderhoudBinnen een prestatiegerichtbeheer worden reparatie enonderhoud gebaseerd op het her-stellen van prestaties op eenzodanige manier dat een voorafgedefinieerde verlenging/verbete-ring van de levensduur wordt ver-kregen. Op basis van de aantas-tingsmodellen is precies bekendwelke parameters moeten wordenverbeterd of be?nvloed. Vergelij-king van verschillende technie-ken en middelen op basis vanhun kostefficiency (kosten perlevensduurverlengingsjaar) wordtdan mogelijk. Omdat zo'n metho-dologie nog niet is ontwikkeldwordt binnen dit project eenbegin gemaakt met het opstellenvan modellen waarmee deinvloed van verschillende typenoppervlaktebeschermings- enreparatiemiddelen wordenbeschreven en getoetst. E?n vande belangrijkste factoren die deefficiency en levensduur van eenreparatie bepalen, is de kwaliteitvan het hechtvlak tussen oudbeton en reparatiemortel. In eenapart deelproject zal wordenonderzocht hoe deze kan wordengekwalificeerd en geoptimali-seerd en hoe de kwaliteit van hethechtvlak in de levensduurbe-schouwing kan worden meegeno-men. Van een heel andere ordezijn scheuren in de dekking.Hoewel deze over het algemeenhet draagvermogen niet be?nvloe-den, zijn ze mogelijk wel eenbedreiging voor de levensduuromdat de bescherming van dewapening door de dekking nulager is. In dit deelonderzoek zalmet name de efficiency van `che-mical spray sealing' wordenonderzocht.Werkpakket 5:ManagementraamwerkVanaf de allereerste planning tothet einde van de levensduur zou-den de verschillende levens-duurfasen van zowel gewapendeals voorgespannen betonconstruc-ties op gelijke wijze moeten wor-den gekwantificeerd, zodat eeneconomische optimalisatie voor degehele levensduur van een con-structie kan worden gemaakt. Ditvereist dat een enkele set vanprestatiecriteria wordt opgezet dieworden gedefinieerd in de plan-en ontwerpfase, worden gereali-seerd in de bouwfase en wordengevolgd en zonodig verbeterd tij-dens de exploitatiefase. Binnen ditwerkpakket wordt het raamwerkverder ontwikkeld en worden deresultaten uit de andere werkpak-ketten binnen het raamwerk ge?n-tegreerd. Omdat voorgespannenbetonconstructies op een aantalpunten afwijken van gewapend-betonconstructies (o.a. andereaantastingsmechanismen) wordendeze apart behandeld.T o t s l o tDe eerste (voorzichtige) toepas-sing van op prestaties gebaseerdmanagement van betonconstruc-ties heeft aangetoond dat de voor-delen van dit type managementgroot zijn. Omdat het manage-ment rationeel en kwantitatief is,is het een goede ondersteuning bijhet nemen van beslissingen, ishet effici?nter en kostenbesparenden maakt het de weg vrij voorinnovaties in de bouw. Het isdaarom dat de overheid, maar ookde kennisinstituten TNO en deTU Delft hebben besloten fors teinvesteren in de verdere ontwikke-ling van op prestaties gebaseerdmanagement. Juist de combinatievan TNO en de TU Delft draagt erzorg voor dat zowel fundamentelekennis wordt ontwikkeld en dat devertaling van fundamentele ken-nis naar de praktijk wordtgemaakt.Ondanks zijn omvang van 3,5miljoen, ligt het niet in de lijn derverwachting dat alle openstaandevragen met het hier gepresenteer-de Delft Clusterproject `Slimduurzaam beheer van betoncon-structies' kunnen worden opge-lost. Omdat ook in het buitenlandveel onderzoek wordt verricht,wordt er in het project samenge-werkt met buitenlandse bedrijvenen instellingen. Enerzijds heeft ditplaats binnen internationale pro-jecten zoals TunConStruct (www.tunconstruct.org) en COST Action534 (www.cost534.com). Ander-zijds wordt dit verzekerd door uit-wisseling van contacten, onder-zoeksresultaten en onderzoekersmet buitenlandse universiteitenen instellingen. Op deze wijzewordt een groter onderzoekspo-tentieel bereikt.De directe toepasbaarheid van derekenmodellen en beheergereed-schappen en een helder en bruik-baar raamwerk voor het prestatie-beheer blijft de belangrijkste toetsvoor het slagen van het Delft Clus-terproject. Daarom worden alleonderzoeken uitgevoerd in samen-werking met het Nederlandsebedrijfsleven en de overheid. Ditwordt onder meer gegarandeerdvia een financi?le bijdrage van33%. Maar dit alleen is onvoldoen-de. Een actieve deelname moetervoor zorgen dat de methode ookwordt toegepast en dat er eenterugkoppeling is van de praktijknaar het onderzoek. Dan valt ervoor Nederland bijvoorbeeld eengrote sprong voorwaarts te makenmet betrekking tot slim, duurzaambeheer van betonconstructies. nMeedoen of meer informatie?Stuur een e-mail:jeanette.visser@tno.nl