Als eindopdracht voor de opleiding Betontechnologisch Adviseur (BTA) van de Betonvereniging is een adviesrapport opgesteld voor het project Spoorbrug Van Starkenborghkanaal. In de poer onder de boog is een aantal jaar geleden koeling toegepast om scheurvorming te beperken. Als studie is een adviesrapport opgesteld waarin (achteraf) mogelijke alternatieven zijn verkend. Alternatief koeling met aangepaste betonsamenstelling ONDERZOEK NA AR MOGELIJKHEDEN BEPERKING SCHEURVORMING IN POER 30 VAKBL AD 3 2022 Auteur Frank van Ger ven, projectleider en constructeur, ABT 5. BTA Frank van Gerven.indd 305. BTA Frank van Gerven.indd 30 10-10-22 13:5110-10-22 13:51 R APPORT Dit is het tweede artikel in een serie naar aanleiding van de opleiding Betontechnologisch Adviseur van de Betonvereniging (BTA, jaargang 2021). Het artikel is gebaseerd op het adviesrapport 'Spoorbrug Van Starkenborghkanaal - Poer Boogfundament', dat Frank van Gerven heeft opgesteld als eindopdracht voor deze cursus. In de eindopdracht worden thema's als de eigenlijke grondstof, 'secundair toeslagmateriaal', duurzaamheid, materiaalprestaties en regelgeving besproken. Meer over de cursus BTA staat op https://magazine.betonvereniging.nl/cursusaanbod/ betontechnologisch-adviseur/ Alternatief koeling met aangepaste betonsamenstelling 1 Boogbrug Zuidhorn 31 VAKBL AD 3 2022 5. BTA Frank van Gerven.indd 315. BTA Frank van Gerven.indd 31 10-10-22 13:1710-10-22 13:17 SPOORBRUG ZUIDHORN In 2017 is de bestaande spoorbrug Zuidhorn over het Van Starkenborghkanaal in de provin- cie Groningen ver vangen door een aanzienlijk langere spoorbrug met een grotere door vaarthoogte (fi g. 2). Deze operatie was onderdeel van het project 'Opwaardering Hoofdvaarweg Lemmer ? Delfzijl', waarbij het kanaal geschikt is gemaakt voor klasse Va- schepen, vierlaagse container vaart en beperkte tweebaks duwvaart. De nieuwe spoorbrug is een stalen boogbrug (foto 1) met een betonnen boogfundament aan beide zij- den van het kanaal. Het boogfundament heeft in totaal een dikte van 9 m, waar van 4 m onderwaterbeton (owb) met daarboven 5 m traditioneel gewapend beton (fi g. 3). De aan- sluiting met de stalen boogvoet is door middel van fl inke ankers gerealiseerd. SCHEURVORMING EN SCHEURBEHEERSING Na het storten van het beton zal door het hydratatieproces de temperatuur fl ink oplopen bij deze betonpoerafmetingen. Door afkoeling naderhand ontstaat thermische krimp die zowel extern als intern wordt verhinderd. Extern wordt de krimp verhinderd door het eerder gestorte onderwaterbeton. Interne ver- hindering komt doordat de buitenste schil sneller afkoelt dan de kern van het beton. Hier- door ontstaat een temperatuurgradiënt die spanningen veroorzaakt. Als er geen maatre- gelen worden genomen, zullen de spanningen de treksterkte van het beton overschrijden en treedt scheur vorming op. Om scheur vorming tijdens de hydratatiefase te beheersen, zijn grofweg twee ontwerpmetho- den toe te passen: voorkomen van scheur vor- ming door maatregelen tijdens de uitvoering (zoals koeling of keuze betonmengsel) of beperking van scheurwijdte door middel van (extra) wapening. In het gerealiseerde ontwerp is er voor geko- zen koeling toe te passen. In de studie die in dit artikel wordt besproken, wordt advies gegeven waarbij koeling van het beton potentieel achterwege kan blijven. Daarbij mag de impact op de planning slechts minimaal zijn. Met een beknopt haalbaarheids- onderzoek is gekeken naar een kostene? ciënt en technisch goed alternatief. Beschouwde alternatieven zijn een boogfundament op palen, een poer zonder stortonderbreking, een aangepaste betonsamenstelling en een geïso- leerde bekisting.BOOGFUNDAMENT OP PALEN De primaire functie van de poer is om de krach- ten van de boog over te brengen naar het owb. Daarbij dient het owb als plaatfundering van de poer, die de afstand naar meer draagkrachtige lagen overbrugt. Slappe grondlagen op de diepte van het owb zijn weggegraven en ver- vangen door het owb. Een mogelijk alternatief voor het toegepaste concept is om naar een poer op paalfundering te gaan. De koeling is namelijk deels noodzakelijk vanwege de verhinderde ver vorming van de poer op het owb. Bij een poer met paalfundering treedt er door de relatief slappe palen (in late- rale richting) nauwelijks verhinderde ver vor- ming op. Maar toepassing van een paalfundering blijkt om verschillende redenen niet haalbaar: ? De belastingen, met name de rembelasting van het treinverkeer, leiden tot grote hori- zontaalkrachten. De bovenste grondlagen zijn slap en bieden horizontaal te weinig weerstand. ? De spoorbrug ligt in de provincie Groningen en (volgens de geldende NPR 9998 voor aardbevingen) in een gebied waar ook reke- ning moet worden gehouden met seismische belasting. Ook deze belasting resulteert in signifi cante horizontale belastingen. POER ZONDER STORTONDERBREKING Het huidig boogfundament is in separate delen gestort, namelijk eerst het owb en ver volgens de poer. Ter voorkoming van verhinderde ver- vorming van de poer door het owb kan als alternatief alles in één stort worden uitge- voerd. Dit betekent een uitdaging voor de uit- voering en heeft daarnaast fl inke invloed op de logistiek, zoals de aan- en afvoer van (grond- stoff en van) beton en het materieel. Uitgaande van de bestaande dimensies komt de storthoe- veelheid neer op ongeveer 2000 m 3. Op basis van eerdere projecten wordt dit haalbaar geacht. Omdat niet gewacht hoeft te worden totdat het owb is verhard, is een tijdswinst in de bouwfasering mogelijk. Deze aanpak betekent dat het owb en de poer worden geïntegreerd. Dit houdt in dat het hele fundament ofwel in owb wordt uitgevoerd, ofwel in traditioneel beton. Omdat er veel wapening nodig is in het fundament, wordt het toepassen van alleen owb niet haalbaar geacht. Het onder water aanbrengen, lassen van verschillende wapeningsdelen en/of ankers van de boogaan- sluiting is om meerdere redenen onwenselijk. PROJECTGEGEVENS Project Vervanging spoorbrug Zuidhorn Opdrachtgever ProRail Aannemer Max Bögl Hoofdconstructeur, constructief advies beton, geotechnisch advies ABT Constructieadvies staal SSF Ingenieure Leverancier betonmortel HeidelbergCement Met een beknopt haalbaarheidsonderzoek is gekeken naar een kostene? ciënt en technisch goed alternatief voor koeling 2 Projectlocatie spoorbrug over het Van Starkenborghkanaal 32 VAKBL AD 3 2022 5. BTA Frank van Gerven.indd 325. BTA Frank van Gerven.indd 32 10-10-22 13:1710-10-22 13:17 In plaats daar van zou alles in traditioneel beton kunnen worden uitgevoerd. Dit betekent dat in de bouwput droog moet kunnen worden gewerkt. Behalve dat dit hoge eisen stelt aan de bemalingscapaciteit moet er ook een water- dichte werkvloer worden gerealiseerd (één van de f uncties van het owb). Afhankelijk van het bemalingsplan blijft het opbarsten van de werk - vloer een reëel risico. Daarnaast vraagt het stor - ten van beton met een dikte van 9 m speciale aand acht voor de bekisting. De bekisting moet sterk en stijf genoeg zijn om weerstand te bie - den aan de hoge bekistingsdruk. Tevens zijn flink e hulpconstructies nodig die de bekisting moeten opvangen. Hoewel een enkele stort de verwachte scheur - vorming door externe verhinderde ver vorming voorkomt, is dankzij de omvang van de poer de uitdaging op het gebied van interne verhinderde ver vorming alleen maar groter geworden. A ANGEPASTE BETONSAMENSTELLING Er is ook gekeken of de hydratatiewarmte kan worden gereduceerd. Hiertoe is een aantal maatregelen beschouwd. Cementkeuze en druksterkte Het bestaande ontwerp van de poer is geba- seerd op een benodigde sterkteklasse van C35/45 en milieuklasse X A2. Het toegepaste mengsel bestaat uit 270 kg CEM III/B en 70 kg CEM I per m 3 beton. Om hydratatiewarmte zo veel mogelijk te beperken, is onderzocht of alle portlandcement kon worden ver vangen door hoogovencement, met dezelfde toeslagmaterialen en hulpstoffen als uitgangspunt. Daarom zou, omdat porland- cement een hogere 28-daagse normdruk - sterkte heeft, de water-cementfactor naar beneden moeten worden bijgesteld naar 0,456. Doordat de boogbrug niet werkt als een druk - boog, moeten significante momenten worden opgenomen door de poer. Uit figuur 4 blijkt dat de drukspanningen niet gelijk zijn verdeeld. Alleen bij de aansluiting met de boogvoet is een aanzienlijke druksterke nodig en niet over de volle doorsnede. Ook zal er in de kern van de poer nauwelijks tot geen indringing van sulfa- ten en chloriden optreden. Daarom wordt voorgesteld om de betonsamen- stelling van alleen de buitenste meter van de poer te ontwerpen op de benodigde milieu- klasse X A2 en betonsterkteklasse C35/45. Beschouwde alternatieven zijn een fundament op palen, een poer zonder stortonderbreking, een aangepaste betonsamenstelling en een geïsoleerde bekisting N.A.P. 10 20 15561 owb-plaatfundering stalen boogvoet 2 5 9 3 1 0 0 0 5 9 0 0 6 0 09 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 - 5,000 -9,000 16000 10400 3600 1000 14000 1000 +1,500 poer langsligger spoorbrug 3 Langsdoorsnede van boogfundament bestaande uit een betonnen poer en owb-plaatfundering 4 Bet ondrukspanningen uiterste grenstoestand volgens DIANA-model 33 VAKBL AD 3 2022 5. BTA Frank van Gerven.indd 335. BTA Frank van Gerven.indd 33 10-10-22 13:1710-10-22 13:17 Er zal hiertoe een speciaal stortschema moeten worden opgesteld en er moeten maatregelen in de uitvoering worden genomen. Hier voor zijn oplossingen denkbaar, maar hier is in het rap - port verder niet op ingegaan. Voor de kern is een minder c ementrijk mengsel voorgesteld op basis van sterkteklasse C30/37 met milieuklasse XC2. In het adviesvoorstel is een betonmengsel uit - gewerkt dat voor de buitenste meter bestaat uit 350 k g hoogovencement (CEM III/B 42,5 N LH SR) en voor de kern uit 280 kg CEM III/B 42,5 N LH SR. Op basis hier van kan een vergelijking tussen de hydratatiewarmte van de twee mengsels wor - den gemaakt met de volgende formule: ? Q = C ? Q h Waarin ? Q = h ydratatiewarmte (J/m 3) V = bet onvolume poer (m 3) C = c ementgehalte (kg/m 3) Q h = hydratatiewarmte cement (J/kg) Daar voor is de specifieke hydratatiewarmte (Q h) van de verschillende cementtypen gebruikt con - form [1] (tabel 1). Op basis hier van is gekeken naar het v erschil in de totale ontwikkelde hydra - tatiewarmte van de poer zonder owb-plaatfun - dering (dimensies: 14 × 12 × 5 = 840 m 3). In tabel 2 staat de vergelijking van de totale berekende hydratatiewarmte van de verschil - lende oplossingen. Het komt neer op een reduc - tie op de ontwikkelde hydratatiewarmte bij het alt ernatief van ongeveer 18%. Omdat het beton - mengsel dat minder warmte ontwikkelt in de k ern wordt geplaatst, neemt de temperatuur - gradiënt over de doorsnede af, wat de interne v erhindering reduceert. Omdat het betonmeng - sel dat minder warmte ontwikkelt in de kern w ordt geplaatst, neemt de temperatuurgradiënt over de doorsnede af, wat de interne verhinde - ring reduceert. Overigens is in het rapport ver - der niet onderzocht of deze reductie voldoende is om sc heur vorming te beheersen. Daar is aan - vullend complexe analyse voor nodig, wat voor - bij de opzet van de cursus zou gaan. Het rapport bet reft slechts een verkenning. Enkele kanttekeningen die bij genoemde variant moeten worden geplaatst: ? De bet ondruksterkte is ook van invloed op de verankeringslengte van de ankers van de boogvoet. ? De t oepassing van enkel CEM III betekent dat het fenomeen van autogene krimp waar - schijnlijk een grotere rol speelt dan is vastge - legd in Eurocode 2. Extra aanvullend onder - zoek is nodig om de mate van extra autogene k rimp te bepalen [3]. ? De s terkteontwikkeling (en ontkistingstijd) is minder snel door toepassing van alleen hoog - ovencement. Temperatuur betonspecie Naast het reduceren van de hydratatiewarmte van het beton is ook het verlagen van de tempe - ratuur van de betonspecie een optie. Dit dient d an als een ver vroegde koeling; door de lagere starttemperatuur zal de maximale temperatuur ook niet zo ver oplopen. Daarnaast betekent een lagere specietemperatuur ook een lagere hydra - tatiesnelheid. Hierdoor zal de temperatuurgra- diënt over de doorsnede afnemen en wordt de int erne verhindering beperkt. Het nadeel is wel de langere verhardingstijd, waardoor mogelijk pas later kan worden ontkist. Een manier om de specietemperatuur te verla - gen, is het koelen van het water of het toeslag- materiaal, bijvoorbeeld door het nat houden in de t oeslagbunkers (verdampend water onttrekt warmte). Omdat het een kostbare oplossing betreft, wordt dit in Nederland bijna niet toege - past. GEÏSOLEERDE BEKISTING In het gerealiseerde ontwerp zijn de zijkant en de bovenkant van de poer al geïsoleerd om de temperatuurgradiënt te beperken. Een moge - lijke maatregel is de isolatie van de bekisting te verbeteren om zo de trekspanningen door interne verhindering verder te reduceren. In het huidige ontwerp is een warmteweerstand van R = 0,5 (m 2K)/W aangehouden voor de iso- latie. Toepassen van 50 mm EPS-bekleding met een ? = 0,040 W/mK geeft al een R -waarde van 1,25 (m 2K)/W. Het verhogen van de isolatie - waarde van de bekisting is daarmee relatief gemakkelijk haalbaar. Aandachtspunt hierbij is dat de isolatie lang aanwezig moet zijn. Ook kan bij het verwijderen van de isolatie/bekisting een temperatuurschok optreden met als gevolg scheur vorming aan het opper vlak. ADVIES In het adviesrapport is een aantal varianten/ maatregelen verkend die koeling van de poer van het boogfundament kunnen voorkomen. Deze koeling hangt sterk samen met de ontwikkelde hydratatiewarmte en de mate van verhinderde ver vorming, zowel intern als extern. Uit de ver - kenning volgt dat een significante reductie van h ydratatiewarmte kan worden gerealiseerd door kritischer om te gaan met de benodigde hoeveel - heid cement in de doorsnede. In de kern van de poer k an het cementgehalte worden verminderd, terwijl de hoeveelheid cement in de buitenste schil in stand blijft om aan de duurzaamheidsei - sen en sterkte-eisen te voldoen. Om daarnaast de int erne verhindering te reduceren, kan rela - tief eenvoudig de isolatiewaarde van de bekis - ting worden opgeschroefd, bijvoorbeeld door ext ra EPS-bekleding aan de buitenkant van de bekisting. Een nadere analyse zal moeten uitwij - zen of de koeling bij een volgend project op deze manier k an worden voorkomen. Literatuur1 Warmteontwikkeling van cement en beton. ENCI productinformatieblad, december 2001. 2 Br eugel, K. van, Braam, C.R., Veen, C. van der en Walraven, J.C., Concrete Structures under Imposed Thermal and Shrinkage Deformation, oktober 2017. 3 Ric htlijn Ontwerpen Kunstwerken 1.4 (ROK 1.4). Rijkswaterstaat, april 2017. Tabel 1. Hydratatiewarmte Q h beschouwde cementen CEMENT HYDR ATATIEWARMTE CEM III/B 42,5 N LH SR 250 J/kg CEM I 52,5 R 350 J/kg Tabel 2. Vergelijk hydratatiewarmte van de poer MENGSEL HYDR ATATIEWARMTE bestaand 270 kg CEM III/B 42,5 N LH SR + 70 kg CEM I 52,5 R 840 × 270 × 250 = 56,7 GJ 840 × 70 × 350 = 20,6 GJ Totaal = 77,3 GJ alternatief 350 kg CEM III/B 42,5 N LH SR (buitenste meter) + 280 kg CEM III/B 42,5 N LH SR (840 ? 572) × 350 × 250 = 23,5 GJ 572 × 280 × 250 = 40,0 GJ Totaal = 63,5 GJ 34 VAKBL AD 3 2022 5. BTA Frank van Gerven.indd 345. BTA Frank van Gerven.indd 34 10-10-22 13:1710-10-22 13:17