Transcript Rijkswaterstaat Beoordelen en versterken bestaande kunstwerken

Beoordelen en
versterken bestaande
kunstwerken
Rob de Meijer
Dienst Infrastructuur
Afdeling Civiele Techniek
4 november 2010
Inhoud presentatie
1. Inleiding
2. Aanpak beoordelen
3. Dwarskrachtproblematiek betonnen kunstwerken
4. Renovatie Bruggen
5. Gewapend betonnen plaat
6. Voorgespannen betonnen kokerligger
7. Versterken kunstwerken
8. Conclusies
2
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
1. Inleiding
• Voorbereiding aanleg spitsstroken of extra rijstroken in 2002
• Beoordelingen op basis van (nieuwbouw) ontwerp door
ingenieursbureaus
• De meeste betonnen kunstwerken van voor 1976 blijken niet
aan de huidige eisen te voldoen
3
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
1. Inleiding
Oorzaken
–
–
–
–
4
Toename zwaar vrachtverkeer
Rijstroken dichter bij de rand van het kunstwerk
Dikker asfaltpakket door b.v. ZOAB
Trendbreuk m.b.t. dwarskracht in de betonvoorschriften in
1974
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
1. Inleiding
Deskundigheid constructeur
• Moet ruime kennis hebben van:
– bestaande constructies en bouwmethoden
– oude en nieuwe voorschriften
– oude en nieuwe materialen
• Ervaring met omgaan met oude constructies
– Uitgangspunt zijn de gerealiseerde afmetingen en de
aangebrachte wapening
– Schematiseren van de constructie
5
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
2. Aanpak beoordelen
Richtlijnen voor het beoordelen van bestaande constructies (RBBK)
6
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
3. Dwarskrachtproblematiek betonnen kunstwerken
•
Het grootste probleem bij betonnen
kunstwerken blijkt de
dwarskrachtbeoordeling
– Toename van de belastingen
door verkeer en asfalt
– Ontwerpmethode voor 1974
•
Bros bezwijkgedrag bij dwarskracht
•
Incidenten in het buitenland
7
Hoofdwegennet
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
3. Dwarskrachtproblematiek betonnen kunstwerken
Rampscenario: Minneapolis 35W Bridge
8
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
4. Renovatie Bruggen
fase 1 Inspecties en inventarisatie
• 2014 constructies voor 1975 + 6 tunnels
• 1826 constructies geïnspecteerd
• 13613 foto’s om de huidige situatie (wegindeling en
asfaltdikte)te beschrijven
• De meeste constructies konden worden ondergebracht in 6
typische constructietypen:
– kokerbruggen
– (prefab) balken
– platen
– T-profielen
– Doosconstructies en onderdoorgangen
– Tunnels
Daarnaast nog enkele kritische constructiedetails:
tandconstructies, etc.
9
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
Categorieindeling
kunstwerken
10
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
4. Renovatie Bruggen
Fase 2 uitvoeren Quick Scan
• Classificatie 1 t/m 5 (1 is akkoord en 5 heeft het hoogste
risico)
• Lage betonkwaliteit aangenomen
– Meestal K160 bij platen (beperkt K225 of K300)
– K250/K300 bij T-liggers (beperkt K450)
• Vereenvoudigde schematisatie
– Verzwaringen lijf niet meegenomen
• Onjuiste basisgegevens
– Tekeningen verschillen
– Fouten in database
• Ontbrekende gegevens
11
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
4. Renovatie Bruggen
Verfijnde berekening
Welke mogelijkheden hebben we om constructies te laten
voldoen aan de dwarskrachttoets?
1. Materiaalonderzoek
2. Onderzoek naar werkelijk
belastingmodel
3. Veiligheidfilosofie voor
bestaande constructies
4. Complexe berekeningen
5. Onderzoek naar extra
capaciteit
12
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
4. Renovatie Bruggen
Materiaalonderzoek
Conclusies:
• De constructies hebben een veel hogere betondruksterkte dan
de ontwerpwaarde
• Voor gewapende constructies niet kleiner dan C37/45
• Voor voorgespannen constructies nog hoger: C50/60
• Alle rekenwaarden zijn gevonden door druk- en trekproeven
op geboorde c1linders
• Één-assige trekproeven geven een veel te lage treksterkte. De
splijttreksterkte geeft een juister beeld
• Op advies TU/TNO in het vervolg alleen druksterkte bepalen,
omdat relatie trek/druk gelijk is aan huidige beton
13
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
4. Renovatie Bruggen
Veiligheidsfilosofie voor bestaande kunstwerken
Uitgangspunt NEN 8700 voor bruggen
- Verbouwfactoren gevolgklasse 3 voor kunstwerken in en over
de rijksweg
- Afkeurcriterium nog 5 % lager
- Duurzaamheid wordt beoordeeld op basis van inspectie
14
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
4. Renovatie Bruggen
(Complexe) berekeningen
•
Voor de diverse typen constructies zijn er op basis van de
risicobeoordeling in de Quick scan een flink aantal kunstwerken
herberekend.
•
Wat opvalt is de grote spreiding in de resultaten. Meestal zijn de
aannamen conservatief, maar het aantal fouten in de berekeningen is
ook veel te groot.
•
Dit leidt tot de vraag in hoeverre je veiligheidfactoren kunt
reduceren. Moet er niet een grotere modelfactor/constructeursfactor
in rekening worden gebracht?
•
Daarnaast zijn er complexe fysisch niet-lineaire berekeningen
gemaakt voor o.a. 3 verschillende T-liggers en een kokerbrug. Dit om
de mogelijke reserve in kaart te brengen t.o.v. de normen.
15
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
Proces beoordeling KW’s van voor 1976
16
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
4. Renovatie Bruggen
Onderzoek naar extra capaciteit door TNO en TUDelft
• Onderzoek naar betere rekenregels (meer gericht op de
verschillende typen)
• Internationale verkenningen
• Niet-lineaire FEM-analyses
• Relatie druksterkte-treksterkte via proefnemingen
– (bv. met gezaagde balken uit plaatviaducten)
• Dwarskrachtproeven op nieuwe platen
• Betrouwbaarheid constructies
17
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
5. Gewapend betonnen plaat
•
•
•
•
•
18
In de berekeningen blijkt de (trek)sterkte van het beton dominant.
Door de hoge sterkte van het oude beton is een groot deel van deze
platen veilig.
Verschillen tussen VBC en Eurocode zijn beperkt
Bij statisch onbepaalde constructies wordt ook gebruik gemaakt van
de TNO/IBBC methode
Een goede schematisering van het elementenmodel (b.v. verende
ondersteuning, afmeting ondersteuning)
Mogelijk op basis van onderzoek op nieuwe platen gebruik maken van
lastspreiding/gemiddelde materiaalsterkte (factor 1,2??)
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
6. Voorgespannen kokerligger
Kokerliggers blijken soms niet aan de huidige eisen te voldoen. Oorzaak
is vaak het ontwerp op basis van de bgt. Hierdoor is minder
constructieve beugelwapening vereist. De toets volgens de huidige
normen vindt plaats in de ugt met een hogere belasting, waardoor
uitgegaan moet worden van een gescheurde constructie.
RW 50, Brug over de Nederrijn bij Heteren
(bouwjaar 1968-1971).
19
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
6. Voorgespannen kokerligger
Scheurvorming in de kokerwanden
20
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
6. Voorgespannen kokerligger
Hoe veilig is deze brug?
• Huidig verkeer veel zwaarder dan bij ontwerp
• Dik pakket asfalt (30 cm) om brug vlak te maken
• Dwarskrachtscheuren in de wanden
•
•
•
•
Niet-lineaire analyse met FEM-pakket DIANA
5 velden van de aanbrug, incl. deuvel
In 3 modellen, plain-stress, schalen en plain-stress
(aangepast)
Schalenmodel omvat bijna 900.000 elementen!
Innovatief, er is geen norm voor vastgesteld
Resultaat: Voldoende draagkracht, maar wel modelfactor nodig
21
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
7. Versterken kunstwerken
Externe voorspanning: Brug Heteren
• De NLFEM-resultaten bevestigen het scheurgedrag
– scheuren treden op bij permanente belasting (incl. extra
asfalt)
– buigtrekzone is ruim voldoende voorgespannen
– dwarskrachttoets: 2x meer verticale wapening nodig
• De brug is recent versterkt met externe voorspanning alleen
t.p.v. steunpunt.
NB. Al eerder is de Ketelbrug in de A6 (Lelystad) en de aanbrug van de brug bij Deventer in de A1
versterkt met externe voorspanning doorlopend over de gehele lengte van de aanbrug
22
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
7. Versterken kunstwerken
Overlaging T-ligger dek Roermond
•
•
•
•
•
T-ligger voldoet net aan de eisen m.b.t. dwarskracht
Tussenstort is alleen door dwarsvoorspanning verbonden met
ligger
Sterkte tussenstort (dikte 0,18m) is onvoldoende volgens de
huidige normen
Extra risico door aantasting dunne rijdek
Vergelijkbaar met Hollandse Brug, maar de afstand tussen de
liggers is veel kleiner
23
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
Overlaging (betonnen dek A1 de Wilp)
Aanbrengen verbindingswapening
24
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
Overlaging
Aanbrengen van betonnen deklaag
25
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010
8. Conclusies
•
•
•
•
•
26
Veel constructies zitten op de grens van het dwarskracht
draagvermogen. Toch zijn er nauwelijks dwarskrachtscheuren
waargenomen (m.u.v. een paar kokers) en in Nederland is geen
sprake van (bijna) instorten van kunstwerken
Slechts een klein aantal kunstwerken zullen versterkt worden.
Materiaalonderzoek:
– Beton van oude KW’n is veel beter dan de oorspronkelijke
ontwerpwaarde; dus materiaalonderzoek loont
– De in rekening te brengen treksterkte heeft gedurende het
onderzoek grote fluctuaties ondergaan
Herberekenen
– Nauwkeuriger (en vooral nauwgezet) berekenen helpt
– Aan het opleiden van constructeurs voor herbereken van
bestaande kunstwerken zal meer aandacht moeten worden
besteed.
Er is nog meer onderzoek nodig om de juiste rekenregels op te
stellen; ook het vastleggen van ervaringen is van groot belang
Rijkswaterstaat Beoordelen en
versterken bestaande kunstwerken
4 november 2010