O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2002 578De Betuweroute kruist het Pan-nerdensch Kanaal tussen de ge-meenten Bemmel en Duiven meteen 2680 m lange tunnel. Hetgrootste deel bestaat uit twee af-zonderlijk geboorde buizen meteen lengte van 1615 m en diame-ter8,65m.Infiguur1iseenlangs-doorsnede van het tunneltrac? in-clusief het geotechnisch profielweergegeven. De westelijke toeritbestaat voor een deel uit een ge-sloten constructie (285 m) mettussenwanden en een 300 mlange open constructie. Terplaatse van de oostelijke toerit ligtde boortunnel relatief ondiep,waardoor het gesloten deel van deconstructie korter is (190 m). Hetbetonwerk is verdeeld in motenvan 24,5 m met een gemiddeldebreedtevan18m.Detoerittenzijnvolgens de natte bouwmethodegebouwd en gedeeltelijk voorzienvan onderwaterbeton met prefabbetonpalen; in de dieper gelegenmoten is gebruikgemaakt vanstaalvezelversterkt onderwaterbe-ton met ankers.De constructievloeren zijn 900mm dik, de buitenwanden en hetdek 700 mm en de binnenwandheeft een dikte van 500 mm.Het storten van een gesloten toe-ritmootgeschiedtinvierfasen(fig.2). In de eerste fase wordt het on-derwaterbeton gestort. Na droog-zetten van de kuip en het aan-brengen van een betonnen uit-vullaag worden vervolgens devloerplaat en de middenwandgestort en worden als laatste fasedebuitenwanden+dekin??nstortaangebracht.E i s e nTen tijde van de contractvormingin 1999, waarbij de opdracht-gever NS-Railinfrabeheer, advi-seur ARCADIS Infra BV en aan-nemerscombinatie Comol Tun-nelbouw (bestaande uit Vinci,CFE, TBI en Welling) betrokkenwaren, is aanvullend op de NS-richtlijnenenNEN-Normeninhetprestatiebestek opgenomen: "Nahet vaststorten van constructie-vloeren aan onderwaterbetonvloe-ren, van wanden en tussenwan-den aan constructievloeren, envan gelijksoortige constructieon-derdelen, dienen deze construc-tiedelen scheurvrij te zijn. Hiertoemag tijdens de afkoelingsperiodena de stort op tijdstip t de maxi-maalontwikkeldetrekspanningingenoemde constructiedelen niethoger zijn dan 0,5 fbm(t), overeen-komstig NEN 6720" [1].Scheurvrij dient hier gelezen teworden als "met toelaatbarescheurwijdte", of zoals in [2]gesteld: "Dat een gewapende be-tonconstructie onder de belastingzal scheuren is eerder een bewijsvoor de juistheid van het principevan gewapend beton, dan eenreden tot zorg".Tunnel Pannerdensch KanaalEconomische scheurwijdte-beheersing in toerittening. H. Mortier, Comol Tunnelbouwing. L.T.C. Tuunter, ARCADIS Infra BVOm een minimale hoeveelheid langswapening te kunnen toepassen is tijdenshet ontwerp en de uitvoering van de tunnel onder het Pannerdensch Kanaalgezocht naar pragmatische oplossingen om scheurvorming in beton tengevolge van verharding, temperatuurwisselingen en krimp te beheersen.opentoeritwinterdijkdienstgebouw oostPannerdensch Kanaalsteenfabrieksteenopslagdienstgebouw westlokale wegwinterdijkgrondaanvullingzandwinput metopentoerit toeritgesloten geboord deel geslotentoerit= zand= grind= leem= klei1 | Langsdoorsnede tunnel-trac? met geotechnischlengteprofielO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2002 5 79De toelaatbare scheurwijdte werdvastgesteld op 0,15 mm en 0,20mm voor respectievelijk grond-waterkerende delen en de mid-denwand.O o r z a k e n v a ns c h e u r v o r m i n gOm de hoeveelheid langswape-ning goed te kunnen bepalen,moet eerst worden vastgesteldwaardoor trekspanningen in hetbeton worden veroorzaakt enwanneer deze zullen optreden.Op de constructievloer van destartschacht na, waarin via het af-zetframe grote trekkrachten wor-den aangebracht, worden tijdensde bouwfase de constructievloe-ren in langsrichting niet door uit-wendige krachten belast, even-min als de wanden en het dek.Trekspanningen zullen dan ookalleen maar ontstaan door krimpen temperatuurwisselingen.Wat krimp betreft zijn vier syste-men te onderscheiden [3] :Chemische krimpAangezien het volume vancement + water kleiner is dan hetgesommeerde volume van beidebestanddelen afzonderlijk, zal ereen volumecontractie optreden.Hierdoor ontstaan pori?n in decementsteen, waarbij nauwelijksuitwendige vormveranderingenzullen optreden.Plastische krimpTen gevolge van verdampingen/of het aanzuigen van het waterin het verse beton naar onderlig-gend droge beton kan er ook eenvolumecontractie optreden. Dit isde plastische krimp, daar dit feno-meen zich voordoet als het betonnogineenplastischetoestandver-keert. De graad van deze plasti-sche krimp is onder meer afhan-kelijk van omgevingstemperatuur,relatieve vochtigheid van de om-geving en windsnelheid. Wan-neer het waterverlies per opper-vlak (veel) groter wordt dan dedoor bleeding naar het oppervlakgetransporteerdehoeveelheidwa-ter, kunnen er aan het oppervlakscheuren ontstaan die een wille-keurige richting hebben. Dezescheuren kunnen grotendeelsworden vermeden door een be-scherming van het betonopper-vlak.Autogene krimpBij voortgaande hydratatie, wan-neer geen vochtuitwisseling metdeomgevingmeermogelijkis,zalhet water in de capillaire pori?n(op)gebruikt worden. Dit feno-meen doet zich vooral binneninde betonmassa voor. Behalve voorbetonmengsels met zeer lagewater-cementfactor is dit krimp-verschijnsel te verwaarlozen. Bo-vendien wordt dit verschijnselmeegenomen in de beschouwingvan de uitdrogingskrimp. De voordit project toegepaste beton-mengsels hebben minimaal eenwater-cementfactor van 0,50.UitdrogingskrimpDitisdevolumeverminderingvanhet beton ten gevolge van het ver-dampen van water uit het reedsverharde beton. Wanneer deze vo-lumevermindering wordt verhin-derd,zullenspanningenontstaan.De krimp groeit zeer langzaamaan in de tijd. Zolang de trek-sterkte in het beton op elk tijdstipgroter is dan de optredendekrimpspanning (rekening hou-dend met de optredende kruip),zal het beton niet scheuren.Berekening van de uitdrogings-krimp volgens NEN 6720, art.6.1.6, geeft onderstaande resulta-ten:? onderwaterbeton:e'r= 00/00? constructievloer:e'r= 0,09640/00? middenwand:e'r= 0,0930/00? zijwanden en dek:e'r= 0,09620/00De temperatuurbelastingen zijnop te delen in de jaarlijkse tem-peratuurwisseling en de tempera-tuurwisseling tijdens het verhar-dingsproces.De jaarlijkse temperatuurwisse-ling werd, in de geest van [4],begroot op een mogelijke stijgingof daling van 16,5 ?C ten opzichtevan de referentietemperatuur.Voor de temperatuurwisselingtijdens het verhardingsproceswerdenkoelingsberekeningenge-maakt.K o e l i n g s b e r e k e n i n g e nHet koelberekeningsprogrammahield rekening met de verhinde-ring van de kromming van hetnieuw gestorte en verhardendeas zuidelijk spoorstaalvezelversterktonderwaterbeton500500 50050050050070010090011007007002 | Dwarsdoorsnedegesloten toeritmoot metstortfasenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2002 580deel door de reeds gestorte delen,maar niet met de verhinderingvan de kromming door de funde-ringselementen. Deze bijkomen-de verhindering diende vooraf teworden berekend. Hiervoor werdde helft van de betonmootlengtein de andere moothelft als inge-klemd beschouwd. In figuur 3 isdit weergegeven voor de con-structievloer op de onderwaterbe-tonvloer.Op deze uitkragende balk, metelasticiteitsmodulus van de reedsgestorte betononderdelen, werdin eerste instantie een uniformeeenheidslast aangebracht, waar-mee de doorbuiging aan het lig-geruiteinde (wa) werd berekend.Vervolgens werden in hetzelfdemodeldeverendeopleggingenterplaatse van de funderingsele-menten aangebracht en werd metdezelfde uniforme eenheidslastopnieuw de doorbuiging aan hetliggereinde (wb) berekend.De bijkomende verhinderings-graad ten gevolge van de funde-ringselementen werd dan be-paald met de formuleVG = 1 ? (wb/wa)Dit resulteerde in verhinderings-graden van 83%, 31% en 6% voorrespectievelijk de vloer, de mid-denwand en de buitenwanden +dek. Het koelberekeningspro-gramma berekende vervolgens deoptredende spanningen tijdensverharding met een mogelijkheidtotkrommen(waarindusdereedsverharde delen in beschouwingwerden genomen) en met eentotale verhindering tot krommen.Tussen de twee verkregen span-ning-tijddiagrammen werd na-dien ge?nterpoleerd met de eerderverkregen bijkomende verhinde-ringsgraden. Koeling werd nood-zakelijk geacht indien de optre-dende betontrekspanning groterwerd dan 50% van de op datmoment aanwezige betontrek-sterkte; voor de middenwandwerd 65% van de betontreksterktetoegelaten.Dit alles resulteerde in een onge-koelde constructievloer (fig. 4) enmiddenwand. Voor de midden-wand was wel een licht aangepastbetonmengsel vereist met 350 kgcement/m3, consistentiegebied 3,en diende de bekisting in zomerenwintereendaglangerteblijvenstaan. Voor het storten van de bui-tenwanden en dakconstructiewerd in de buitenwanden overeen hoogte van 2/3h een koelingaangebracht.De projectleider uitvoering vanNS-Railinfrabeheer,J.denOuden,had een ruime ervaring opgedaanbij eerdere projecten zoals deTunnel Rijswijk Verdiept, detunnel voor het centraal station teLeiden en de Koningstunnel inDenHaag.Indezeprojectenwerdna een intensief meetprogrammaen een pilot-fase overgegaan tothet toepassen van een krimpnet?12-100 in het hart van dewanden over een hoogte van 2,00m boven de constructievloer,alsook in het hart van het dek cen-trisch boven de middenwand.Omdat de grootste temperatuur-stijging tijdens het verhardings-proces zich in het hart van de be-tonmassa manifesteert en debovengenoemde zones tijdens deafkoeling het meest worden ver-hinderd te krimpen door de na-bijheid van de reeds eerder ge-storte delen (vloer en mid-denwand), is met een centraalkrimpnet de mogelijke scheur-vorming in de kern van de beton-massa reeds te verdelen, zodat ergeen grote scheuren wordendoorgezet naar de wapeningszo-nes.Omdatdezemethodiekinbo-vengenoemde tunnelprojectentelkens met goede resultaten istoegepast, is ook voor dit projectgekozen om krimpwapening inhet hart van het dek centrischboven de middenwand aan tebrengen.M i n i m u m w a p e n i n gStartpunt was het minimalegebruik van langswapening, een? zeker voor de aannemer ? opti-male keuze. Hiertoe werd ge-bruikgemaakt van [5], waarinwordt gesteld dat het minimum-wapeningspercentage kan wor-den bepaald door de aanwezigestaalspanning in een ontstanescheur gelijk te stellen aan devloeispanning van het gebruiktestaal (FeB 500). De formule wordtdan:wmin= 1 / [(fs/scr) ? h]Debetontreksterkte scrwordtvoorde langeduur-treksterkte over-eenkomstig [5] gelijkgesteld aanqqEIOWBkv; funderingselementenconstructievloerOWBWWabVG = 1-Wa / Wb24,50 m3 | Modellering constructie-vloer voor bepaling ver-hinderingsgraad4 | Verloop trekspanningversus treksterktetijdens verhardings-proces vloer1 bovenkant vloer2 midden vloer3 onderkant vloertijd (uren)spanning(N/mm2)0,0 360,032131-2,503,50231wawbVG =1-wb/waO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2002 5 81scr= 0,60 fctm, waarinfctm= fck+ 8 N/mm2Zo werd een langswapeningsper-centage van 0,45% bepaald. Opdeze wijze werd zeker gesteld dathet wapeningsstaal niet zou gaanvloeien bij het optreden van eenscheur over de gehele doorsnedevanhetdesbetreffendeonderdeel.S c h e u r i n l e i d e r sVervolgens diende er een onder-bouwing te worden gegeven datde scheurvorming met deze mi-nimale staalhoeveelheid niet zouleiden tot te grote scheurwijdten.Toepassing van de theorie van detrekstaaf op moten met lengte van24,5 m leverde al snel te grotescheurwijdtes op (wmax= 0,865mm). Resultaten uit de ervaringmet voorgaande projecten leer-den ons dat een vloer van 6 tot 7m lengte zonder speciale voorzie-ningen kan worden gestortzonder nadien geconfronteerd teworden met overmatige scheur-vorming.Dit wordt ook, op meer academi-sche wijze, bevestigd door deBritse norm BS 8007 [6]. In dezerichtlijn is sprake van `partial con-traction joints'. Deze kunnenonder meer worden gevormddoor het plaatsen van een scheur-inleider die de aanwezige beton-doorsnedevoorminimaal25%re-duceert. De contractievoeg wordtpartieel genoemd wanneer eenzekere hoeveelheid van de wape-ning over deze voeg doorloopt.De tussenafstand waarop dezescheurinleiders worden geplaatstis afhankelijk van de ontwerpfilo-sofie die wordt aangehouden.Men kan een volledige verhinde-ring van de contractie nastreven,waarbij de scheurwijdte enscheurafstanden volledig wordenbeheerst door de toegepaste(langs-) wapeningshoeveelheid;een optie welke niet lucratief leek.Als andere extreme benaderings-wijze zijn dusdanig veel scheur-inleidersteplaatsendatalletever-wachten `bewegingen' van hetbeton in deze voegen worden op-genomen. Ook deze oplossing isniet aantrekkelijk omdat elke ont-stane scheur ter plaatse van eenscheurinleider achteraf behan-deld moet worden. De tussenop-lossing, die na goed overleg werdgekozen, is die waarin een mini-maal aantal scheurinleiderswordt geplaatst en de resterendete verwachten opgelegde vervor-mingen door de minimale langs-wapeninginsecundairescheurenmet toelaatbare scheurwijdtenworden opgenomen. De Britsenorm gaf voor deze ontwerpfilo-sofie aan dat de parti?le contrac-tievoegen op maximaal 7,5 m vanelkaar mochten staan.Daar de mootlengten telkens 24,5m bedroegen, werden per mootdrie scheurinleiders toegepast,hetgeen resulteert in een tussen-afstand van 6,125 m.Er werden enkele gevoeligheids-berekeningen gemaakt om tebepalen wat de scheurwijdte indeze drie contractievoegen zouzijn op het moment dat er een se-cundaire (onverwachte) scheurzou ontstaan. Vergelijkingen tus-sen deze gesommeerde voeg-scheurwijdten en de totale bere-kende opgelegde vervorming gafvoldoende vertrouwen in degekozen oplossingswijze.U i t v o e r i n gOmdat het gehele concept afhan-kelijk was van een hele waslijstvan basishypothesen (te verwach-5 | Plaatsing scheurinleidersin constructievloer6 | Injectieslang + scheurter plaatse van scheur-inleider (v??r injectie)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetontechnolgiecement 2002 582ten krimp en temperatuureffec-ten, betondoorsnede ter plaatsevan de scheurinleiders, treksterk-te van het gebruikte betonmeng-sel, enz.) werd in onderlingoverleg besloten dat de eerstemootvanhetprojectals`pilot'zougaan dienen voor de rest van hetbetonwerk en dat het afgewerkteproduct uiteindelijk scheurvrij(leesweer`mettoelaatbarescheur-wijdten') opgeleverd diende teworden.De scheurinleiders werden ge-vormd door haringgraatstaal overde gehele dwarsdoorsnede (foto5), uit kwaliteits- en duurzaam-heidsaspecten niet in de dek-kingszone. Tijdens het stortenwerd dit haringgraatstaal vol-doende bevestigd aan supportenen aan het onder- en bovennet.Ter plaatse van elke scheurinlei-der is ook een injectieslang aan-gebracht, op dusdanige wijze datdeze op een zo laat mogelijk tijd-stip, na het betonstorten, kunnenworden gebruikt. Zo is het moge-lijk om pas direct voor het aan-brengenvandeballastlaag,dusnarealisering van kabelkokers enperrons en na verwijderen van debouwkuipen, de vloer te injecte-ren. Hierdoor heeft elke mootreeds een jaarlijkse temperatuur-variatie doorgemaakt, alsook hetgrootste deel van de verschil-krimp tussen op elkaar gestorteonderdelen.R e s u l t a t e nTot op heden is bij het ontkistenvan de verschillende betononder-delen geen scheurvorming waar-genomen ter plaatse van descheurinleiders. Hiermee wer-den de gemaakte koelingsbereke-ningen gevalideerd. Na verloopvan tijd, na aanvullen van debouwkuipen en het trekken vande damwanden, begonnen descheurinleiders zich systema-tisch af te tekenen: een duidelijkwaarneembare donkere (vocht-)streep bij bijna alle scheurinlei-ders (te herkennen aan de uitste-kende injectieslangetjes) (foto 6).Een inschatting van de scheur-wijdte met een scheurwijdteme-ter gaf vaak een lagere waarde aandan de inschatting volgend uit deberekening. Tussen de scheurin-leiders zijn vooralsnog geen `se-cundaire' scheuren opgemerkt.Zowel Comol als NS-Railinfrabe-heer zijn er zich terdege vanbewust dat de gevolgde ontwerp-filosofie vatbaar is voor een bergaan kritische opmerkingen, dochhet resultaat geeft een grote ge-noegdoening aan beide partijen.In de toekomst kan men immersofwel blijven opteren voor hetwegwapenen van de meest con-servatief ingeschatte opgelegdevervormingen, of voor het aftas-ten van de grenzen van het haal-bare zoals de ontwerpers hier ge-tracht hebben. Voor het be-tonwerk Tunnel PannerdenschKanaal was de eindbalans zoweltechnisch, kwalitatief als econo-misch positief.Foto 7 toont een voltooide tun-nelbuis. L i t e r a t u u r1. NEN 6720, Voorschriftenbeton, constructieve eisen enrekenmethoden (VBC 1995).2. Walraven, J.C., Galjaard, J.C.,Voorgespannen beton. Be-tonpraktijkreeks 3, Beton-Prisma, 's-Hertogenbosch,1997.3. Neville, A.M., Concrete tech-nology. Longman GroupLimited, 1995.4. NS Richtlijn nr. 1005, versie3.0, Klimatologische tempe-ratuurinvloeden op betonnenkunstwerken. Holland Rail-consult, augustus 1997.5. Bouquet, G.Chr., Minimum-wapening bij beton ondertrek. Cement 1999, nr. 8.6. BS 8007, Design of concretestructures for retainingaqueous liquids. BSI 1987.7 | Voltooide tunnelbuis
Reacties