Onderwaterbetonvloeren

Inleiding

2

Als adviseur voor ondergronds bouwen staat ABT voor vooruitstrevend ontwerpen. Het haalbaar maken van de ambities van de opdrachtgever in combinatie met een beheersing van risico’s is het uitgangspunt. De ABT-quickscan voor ondergronds bouwen heeft inmiddels zijn waarde bewezen in de markt. Een onderdeel waarbij nog veel bereikt kan worden is de onderwaterbetonvloer.

Met een vloer van onderwaterbeton (OWB) en trekpalen als bodemafsluiting van een bouwput is inmiddels veel kennis en ervaring opgedaan. Deze zijn voor een groot deel verwerkt in de herziening van CUR-aanbeveling 77. Tot op heden leidt deze richtlijn niet voor alle situaties tot het gewenste resultaat. Project-specifieke omstandigheden vragen om maatwerk. In het hiernavolgende worden aangrijpingspunten beschreven voor een optimaal ontwerp.

Lage stempelkracht

3

Het pijnpunt van OWB-vloeren en CUR77 ligt bij het toepassingsgebied met een lage stempeldrukkracht. Dit komt voor bij ondiepe bouwputten, maar ook de geometrie, damwandontwerp en bouwfasering zijn van invloed. Hoe dan ook; ongewapend OWB leidt hierdoor bij een lage waterdruk al snel tot grote vloerdiktes.

Een vaak onderschat middel voor optimalisatie is het verhogen van de stempelkracht. Dit kan bijvoorbeeld door:

• het opzetten van het water tijdens ontgraven en de betonstort;

• aanpassen van stempelvoorzieningen en/of voorspankrachten in de tijd.

Uiteraard dient er rekening gehouden te worden met de toelaatbare vervormingen van de bouwputwand en grondwaterstromingen.

Een mogelijkheid om de toetsing in de bezwijktoestand (UGT) te optimaliseren is het rekenen met membraanwerking. Bezwijken blijkt bij een door bouwputwanden opgesloten dikke vloer, door de benodigde horizontale vervormingen, praktisch onmogelijk.

Trekpalen en veerstijfheden

4

Voor de verticale verankering van OWB-vloeren zijn ankerpalen vaak het meest economisch. Een berekening volgens CUR-publicatie 236 resulteert in een ondergrensbenadering voor de axiale veerstijfheid. Voor specifieke situaties is deze aanpak overmatig conservatief; dit kan voor het ontwerp en de kosten van OWB-vloeren uitermate ongunstig uitpakken. Met een nadere beschouwing kan, binnen de rekenregels van CUR236, een hogere veerstijfheid worden onderbouwd.

Eenzelfde conservatieve benadering geldt voor situaties waarbij diverse typen trekelementen worden gebruikt. Het niet-lineaire last-vervormingsgedrag van grond en paal wordt doorgaans niet beschouwd. Dit is een veilige benadering, maar bedacht moet worden dat verankerd onderwaterbeton het vermogen bevat tot krachten-herverdeling via de vloer. Hierdoor is het niet altijd nodig om met de door CUR77 geadviseerde variatiefactor √2 te rekenen.

Figuur: momentenverdeling in plaatmodel van OWB voor onderdoorgang met een combinatie van slappe en stijve trekpalen

Met staalvezels…

5

OWB is doorgaans ongewapend. Vooral uitvoeringstechnische beperkingen maken gewapend OWB bezwaarlijk. Bij onvoldoende normaaldrukkracht komt de toetsing in zowel de BGT als de UGT neer op de momentcapaciteit van een ongescheurde vloerdoorsnede. Het toevoegen van staalvezels aan het betonmengsel is relatief simpel en geeft het materiaal een taai breukgedrag. Hierdoor kan er gerekend worden met de na-scheur-treksterkte.

Grafiek: momentcapaciteit C25/30+staalvezels MPZ-HT en ongewapend C25/30 conform CUR77 voor hmin=700 mm

Uit de grafiek volgt dat staalvezelbeton (SVB) conform CUR77 én CUR111 een verdubbeling van de momentcapaciteit oplevert ten opzichte van ongewapend beton. Doordat er meerdere scheurtjes ontstaan in plaats van één brosse scheur treedt herverdeling van krachten op, met een afname van zowel scheurwijdte als de maximale momentbelasting. De maximaal toegestane rek in de betontrekzone blijft ver verwijderd van eventuele pull-out van staalvezels.

In de praktijk treden watervoerende scheuren vaak op ten gevolge van krimp tijdens het hydratatieproces in de beton. Staalvezels reduceren het risico op watervoerende krimpscheuren aanzienlijk; metname voor bouwputten langer dan pakweg 50 meter.

Staalvezels met een minimale lengte van 50mm worden geadviseerd.

De verspreiding en verpompbaarheid van staalvezelbeton zijn een aandachtspunt tijdens uitvoering.

Samenspel met constructievloer

6

Het ontwerp van bouwput en definitieve constructie worden benaderd vanuit twee verschillende werelden. ABT streeft naar een samensmelting van tijdelijke en definitieve constructies; of op z’n minst een samenwerking. Aanpassingen in het ontwerp kunnen leiden tot een besparing op materiaal, ontgravingsdiepte en tijd.

Uiteraard moet de veiligheid en het beoogde gebruik van de definitieve constructie gewaarborgd zijn. Waterdichtheid is voor veel situaties belangrijk, maar binnen infrastructurele of industriële projecten zijn situaties mogelijk waarbij (een risico op) een aanvaardbare lekdebiet acceptabel is. Toepassing van staalvezelbeton is aan te bevelen vanwege het minimaliseren van lekkages. Ook hybride gewapend beton, staalvezelbeton in combinatie met traditionele wapening, kan een optie zijn.

Uit de grafiek blijkt dat staalvezelbeton bij een gegeven rek de toestroom van water voorkomt ofwel reduceert met een factor 4 á 5.

grafiek: effect van staalvezels op scheurwijdte

en waterdichtheid bij een gegeven rek bron: “Beton als constructiemateriaal, eigenschappen en duurzaamheid”

[H.W.Reinhardt, Delft/Den Haag, 1985]

Indien een afzonderlijke OWB-vloer en constructievloer benodigd zijn kan het gewicht van de OWB worden gebruikt om opbollende momenten te beperken. Het optreden van pons door neerwaartse belastingen vanuit de bovenbouw is praktisch onmogelijk.

Constructievloeren op OWB zijn in het bijzonder gevoelig voor scheurvorming en lekkage. De keuze voor het toepassen van een tussen-zandlaag, egaliserende werkvloer of het ‘koud’ op elkaar storten van de vloeren dient per project beschouwd te worden. Het optimaliseren van de benodigde vloerdikte is een specialiteit van ABT. Dit resulteert vaak in een besparing op kosten én een verbetering van de prestaties.

ABT heeft de flyer ‘beton voor kelderconstructies’ met praktische ontwerprichtlijnen beschikbaar gesteld op de website.

7

In CUR77 wordt uitgegaan van een liggermodel voor de bepaling van de krachtswerking in de vloer. Voor veel situaties is dit niet voldoende representatief. Een plaatmodel is dan vereist. Hiervoor gelden specifieke aandachtspunten.

Een geavanceerder rekenmodel kan voor complexe bouwputten, indien gewenst, waardevolle informatie geven. Dit kan nodig zijn om optimalisaties te onderbouwen zoals membraanwerking, niet-lineaire veerstijfheden en/of krachtenherverdeling na scheurvorming. Afhankelijk van het type berekening zijn eindige-elementen-programma’s zoals Scia Engineer, Plaxis en DIANA geschikt. Met een fysisch niet-lineair volumemodel kan bijvoorbeeld inzicht worden verkregen in scheurvorming en het risico op lekkages.

figuur: fysisch niet-lineair 3D-model van een deel van een onderwaterbetonvloer met trekspanningen en vloeilijnen

Ook lokale verstoringen in de vloer kunnen nader beschouwd worden; bijvoorbeeld door liftputten of kraanbelastingen in de bouwputfase.

figuur: modellering kraanpoeren en -belastingen op staalvezelversterkte OWB-vloer en resulterende vervormingen

Geavanceerd rekenen

8

Uiteraard zijn er naast genoemde aangrijpingspunten, en die vanuit CUR77, meer aandachtspunten; elke bouwput is anders. In specifieke gevallen is onderwaterbeton alleen nodig als ballast of als stempel. Hiervoor moet een aparte ontwerp-benadering worden gehanteerd. In uitzonderlijke gevallen kan de vloer worden weggelaten door gefaseerd te ontgraven of het toepassen van een minimale of voorwaardelijke spanningsbemaling.

Door gebruik te maken van de mogelijkheden van CUR77 zijn reducties mogelijk tot 20% op de benodigde hoeveelheid beton voor ongewapende vloeren. De besparing in bouwkosten is naar verhouding groter door het effect op de benodigde ontgravingsdiepte en bouwtijd. Voor een optimalisatie van ondiepe bouwputten met staalvezelbeton is dit al snel 50%. Hetzelfde geldt voor een samensmelting met de constructievloer.

Een integraal, slim en duurzaam bouwputontwerp staat centraal bij ABT. ABT roept bouwend Nederland op om bouwputten met onderwaterbeton, geheel vrijblijvend, te laten checken. Met een ‘OWB-quickscan’ kunnen eventuele verbeterpunten snel worden getraceerd.

“Onderwaterbeton dikker dan een meter? Misschien kan ABT het beter!”

Optimalisatie en second opinion

Meer informatie:

ir. Ruud Arkesteijn

adviseur civiele techniek

r.arkesteijn@abt.eu

nl.linkedin.com/in/ruudarkesteijn

www.ondergrondsbouwen.eu

9