22 thema Model Code in ontwikkeling 1 Voorbode voor vernieuwing van de betonvoorschriften Om richting te geven aan de ontwikkeling van nieuwe internationale normen, zoals de Eurocodes, brengt fib (en daarvoor CEB en FIP) eens in de zoveel jaren een zogenoemde Model Code uit. De meest recente, Model Code 2010, is in 2012 uitgekomen en zal worden geraadpleegd bij de revisie van de Eurocode 1992-1-1 Betonconstructies, die volgens de planning zal uitkomen in 2020. thema Model Code in ontwikkeling 3 2016 23 Geschiedenis van de Model Code In 1953 werd het CEB, de Commission Européenne du Béton opgericht. Het doel van deze vereniging was het opzetten van een eerste Europese norm voor het ontwerpen en dimensioneren van betonconstructies. Dit werd geïnspireerd door de grote verscheidenheid aan nationale normen in Europa op dat moment en hun beperkte wetenschappelijke basis. Daarmee was de ambitie ontstaan een Model Code (Modelvoorschrift) voor Europa uit te brengen. Na de ontwikkeling van de 1e CEB Internationale Richtlijnen voor gewapend beton in 1964 nam CEB contact op met een andere internationale organisatie FIP, de Fédération Internationale de la Précontrainte. Deze eveneens internationale vereniging was opgericht door de pioniers van het voorgespannen beton Freyssinet, Torroja en Magnel, met het doel wereldwijd de techniek van het voorgespannen beton te promoten. De experts van CEB en FIP werkten sindsdien samen om hun ultieme doelstelling, het uitbrengen van een internationale geharmoniseerde norm voor gewapende en voorgespannen betonconstructies, te verwezenlijken. De volgende mijlpalen werden achtereenvolgens bereikt: - 1964: 1e CEB Internationale Richtlijnen (gewapend beton); - 1970: 2e CEB/FIP Internationale Richtlijnen (gewapend en voorgespannen beton); - 1978: 1e CEB/FIP Model Code; - 1990: 2e CEB/FIP Model Code. Nieuwe veiligheidsfilosofie Vooral de 2e CEB/FIP Internationale Richtlijnen uit 1970 betekenden een grote stap voorwaarts. Er werd toen een nieuwe veiligheidsfilosofie ingevoerd, waarbij werd uitgegaan van grenstoestanden met partiële veiligheidsfactoren. In de Model Codes 1978 en 1990 werden verbeterde modellen ingevoerd voor de analyse van het gedrag van betonconstructies. In de Model Code 1990 (fig. 2a) werd voor het eerst een uitgebreid hoofdstuk over de eigenschappen van het materiaal beton opgenomen. De behoefte hiertoe had vooral te maken met de toenemende interesse in de analyse van het gedrag van beton- constructies met (niet-lineaire) eindige-elementenprogramma's. Hierbij is de beschikbaarheid van correcte constitutieve vergelijkingen en geschikte materiaalgegevens een belangrijke voorwaarde. Bij het ontwerpen en dimensioneren stonden constructieve veiligheid en bruikbaarheid centraal. De maximale betonsterkteklasse was C80. De CEB/FIP Model Code 1990 ontwikkelde zich tot het belangrijkste referentiedocument voor de huidige Eurocode EN 1992-1-1 Betonconstructies. Fusie In 1998 fuseerden CEB en FIP tot de nieuwe internationale vereniging fib, de fédération internationale du béton. Dit was tevens aanleiding voor het opstarten van de ontwikkeling van een nieuwe Model Code, waarbij op de meest recente ontwik- kelingen zou kunnen worden ingegaan. Dit werd de Model Code 2010. Het jaartal 2010 heeft betrekking op het tijdstip dat het concept van deze nieuwe Model Code door de bij fib aange- sloten landen officieel werd goedgekeurd. De Model Code 2010 (fig. 2b) is vanaf 2012 verkrijgbaar. Status Alle tot nu toe uitgebrachte Model Codes hebben geen officiële status. Zij zijn opgesteld met het doel richting te geven aan de ontwikkeling van nieuwe internationale normen, zoals de Eurocodes. In figuur 3 is deze interactie schematisch weerge- geven. Verwacht wordt dat ook de meest recent uitgekomen fib Model Code 2010 zal worden geraadpleegd door de opstellers van de gereviseerde Eurocode 1992-1-1 Betonconstructies, die volgens planning zal uitkomen in 2020. De Model Code wordt ook gezien als een referentie en tevens een stimulans voor nieuwe onderzoeksrichtingen. Hierbij spelen ook de corresponderende achtergronddocumenten een rol, zoals [2]. Belangrijke kenmerken van de fib Model Code 2010 De fib Model Code 2010 introduceert een aantal nieuwe prin- cipes en een aantal nieuwe criteria voor het ontwerp en de analyse. Ontwerpen op levensduur Een belangrijk uitgangspunt is het ontwerpen op levensduur (fig. 4). Daarbij is de doelstelling dat de te ontwerpen constructie moet voldoen aan de voor het project geldende eisen ten aanzien van constructieve veiligheid en bruikbaarheid voor een vooraf em.prof.dr.ir.Dr.-Ing. E.h. Joost Walraven, dr.ir. Agnieszka Bigaj-van Vliet TNO 1 Rugbystadion Jean Bouin in Parijs in geprefabriceerd ultra-hogesterktebeton (2012) 2 CEB/FIP Model Code 1990 (a) en fib Model Code 2010 (b) 2a 2b Model Code in ontwikkeling 3 2016 243 Invloed Model Code op ontwikkeling Eurocode Betonconstructies (EN 1992-1-1) 4 Levenscyclus van betonconstructies van betonconstructies, is de betrouwbaarheid van de resultaten nog steeds een punt van discussie. In de fib Model Code 2010 worden daarom op basis van betrouwbaarheidsafwegingen opgestelde methodieken voor deze analysemethoden aangebo - den. Men kan daarbij kiezen tussen verschillende betrouwbaar - heidsniveaus, waarbij de meest geavanceerde rekenmethodieken de meeste kennis en rekentijd vragen, maar wel tot het scherpste eindresultaat leiden. Onderhoud De meeste constructies zijn tot op heden zonder onderhouds- plan gebouwd. Zulke onderhoudsplannen moeten derhalve bij het ontwerpen op levensduur worden meegenomen. Maar ook bij reparatie of versterking van bestaande constructies moeten inspectie- en onderhoudsplannen voor de resterende levensduur worden opgesteld. Hiervoor worden in de fib Model Code 2010 strategieën gepresenteerd. Sustainability Een toekomstige ontwikkeling is ook het opnemen van duur - zaamheidscriteria in de zin van sustainability. Hierbij moet worden nagedacht over het verantwoorde gebruik van grond- stoffen in samenhang met de levenscyclus van de beschouwde constructie, het minimaliseren van milieubelastende invloeden (zoals de carbon footprint), de functionaliteit (aanpasbaarheid) en esthetica (acceptatie) van de constructie gedurende de levens- duur. Momenteel zijn de modellen voor de beoordeling van de waarde van projecten in dit opzicht nog in ontwikkeling. Niet- temin is in de fib Model Code 2010 hiertoe een eerste aanzet gegeven. Gedrag van betonconstructies op fysische basis De momenteel in gebruik zijnde normen hanteren nog zeer veel rekenregels die hun oorsprong vinden in een statistische analyse van experimentele gegevens uit talloze databestanden. Een belangrijke vraag bij het gebruik van empirische regels is echter waar de grens van hun toepasbaarheid ligt. Het werd daarom als een van de belangrijkste uitdagingen gezien in de fib Model Code 2010 analysemodellen op te nemen die het gedrag van betonconstructies op een fysische basis zo realis- tisch mogelijk beschrijven. Het nut van een dergelijke aanpak werd bijvoorbeeld duidelijk bij een recentelijk aan de TU Delft afgesloten onderzoek naar het draagvermogen van brugdekken bestaande uit voorgespannen betonnen T-liggers, waarbij de weerstand tegen doorponsen van deze dekken bij hoge wiellasten ter discussie stond (zie [3] en foto 7). Hierbij bleek dat de model- len voor de bepaling van het ponsdraagvermogen, opgenomen in de fib Model Code 2010, nog konden worden uitgebreid met het effect van membraandrukwerking. Met dit in fysische zin zeer realistische model kon worden aangetoond dat de constructieve veiligheid van ongeveer zeventig bestaande bruggen voldoende vastgelegde tijdsduur. Dat betekent dat in het kader van het ontwerp, behalve toetsing op levensduur, ook een onderhouds - plan moet worden ontwikkeld, en dat tevens overwegingen ten aanzien van afbraak (of demontage) en hergebruik moeten worden opgenomen. Nieuwe materialen Aandacht wordt gegeven aan de toepassing van nieuwe hoog- waardige materialen. Een voorbeeld hiervan is de toepassing van vezelversterkt beton met hoge en ultra hoge sterkte (foto 1). Een dimensioneringsmethode is ontwikkeld die in principe geldig is voor vezelbeton met lage, normale én hoge sterkte. Ook is een stap gemaakt in de richting van defined performance design (ontwerpen op maat), wat onder meer inhoudt dat de druksterkte van het beton niet meer, zoals tot op heden gebrui- kelijk, het bepalende criterium is voor het ontwerp. Het hoofd- stuk over materiaaleigenschappen is hiertoe veel uitgebreider opgezet dan tot op heden in voorschriften het geval is geweest. Numerieke rekenmethoden Regels worden gegeven voor het gebruik van numerieke niet- lineaire rekenmethoden. Waar diverse rekenprogramma's talrijke mogelijkheden bieden voor de analyse van het gedrag fabricage materiaal ontwerp en dimensionering uitvoering gebruik onderhoud reparatie versterking demontage recycling 4 1970 1980 1990 2000 2010 2020 CEB-FIP Model Code 78 CEB-FIP Model Code 90 fib Model Code 2010 ENV 1992-1-1 EN 1992-1-1 Revised EN 1992-1-1 1978 3 thema Model Code in ontwikkeling 3 2016 25 leiden, door het voorkomen van onnodige reparaties of vervanging. Een belangrijk basisprincipe van het gebruik van verschillende Levels of Approximation is dat de eenvoudigere methoden zijn afgeleid uit de meer complexe methoden. Hier- door ontstaat een compatibel geheel. De structuur van de fib Model Code 2010 De fib Model Code 2010 is onderverdeeld in vijf hoofdonderdelen: 1. Principes (hoofdstuk 1-4); 2. Invoergegevens voor het ontwerp (hoofdstuk 5-6); 3. Ontwerp (hoofdstuk 7); 4. Uitvoering en onderhoud (hoofdstuk 8-9); 5. Demontage (hoofdstuk 10). In deze opzet is het denken in termen van levensduur herken- baar (fig. 4). was, in tegenstelling tot eerdere verwachtingen, die gebaseerd waren op beschouwingen met empirische modellen. Levels of Approximation Een belangrijk principe dat in de fib Model Code 2010 wordt gebruikt is dat voor de toetsing van de belangrijkste ontwerpas- pecten met betrekking tot de constructieve veiligheid, model- len met een verschillend nauwkeurigheidsniveau (de zoge- noemde Levels of Approximation) zijn opgenomen. De meest eenvoudige methode (Level of Approximation 1) is meestal voldoende voor het voorontwerp. In de praktijk kan het echter ook voorkomen dat moet worden nagegaan of een belangrijke bestaande constructie nog steeds voldoet aan de eisen van constructieve veiligheid. In zo'n geval is het de moeite waard met een meer geavanceerde methode te werken die meer kennis en tijd vraagt. Door een meer nauwkeurige beschouwing kan zo'n geavanceerde methode tot een substantiële kostenbesparing Inhoud fib Model Code 2010 1. Geldigheidsgebied 2. Terminologie 2.1 Definities 2.2 Bronvermelding 3. Grondslagen 3.1 Algemeen 3.2 Ontwerpen op maat 3.3 Gedragseisen voor constructieve veiligheid en bruikbaarheid 3.4 Gedragscriteria en houdbaarheid 3.5 Levenscyclusmanagement 4. Principes voor het constructieve ontwerp 4.1 Ontwerpsituaties 4.2 Ontwerpcriteria 4.3 Ontwerpmethoden 4.4 Probabilistisch betrouwbaarheidsformat 4.5 Format met partiële veiligheidsfactoren 4.6 Globale veiligheidsbeschouwing 4.7 Deem-to-satisfy methode 4.8 Ontwerpen door vermijden 5. Materialen 5.1 Beton 5.2 Wapeningsstaal 5.3 Voorspanstaal 5.4 Voorspansystemen 5.5 Kunststofwapening 5.6 Vezels en vezelbeton 6. Interface karakteristieken 6.1 Aanhechting ingestort wapeningsstaal 6.2 Aanhechting kunststofwapening 6.3 Contactvlakken tussen oud en nieuw beton 6.4 Krachtsoverdracht tussen beton en construc - tief staal 7. Ontwerp 7.1 Conceptueel ontwerp 7.2 Constructieve analyse en dimensionering 7.3 Bepaling constructieve veiligheid bij over - wegend statische belasting - Buiging met en zonder normaalkracht - Dwarskracht - Wringing - Staafwerkmodellen - Op druk belaste constructiedelen - Kipstabiliteit van liggers - 3D massieve constructie-elementen 7.4 Constructieve veiligheid bij niet-statische belasting 7.5 Constructieve veiligheid bij extreme tempe - raturen 7.6 Verificatie bruikbaarheidseisen 7.7 Verificatie constructieve veiligheid en bruik - baarheidseisen bij vezelversterkt beton 7.8 Grenstoestanden met betrekking tot duur - zaamheid 7.9 Eisen aan robuustheid 7.10 Criteria voor houdbaarheid (sustainability) 7.11 Verificaties met numerieke analyses 7.12 Ontwerpen met behulp van experimenten 7.13 Detaillering 7.14 Verificatie verankeringen in beton 8. Uitvoering 8.1 Algemeen 8.2 Uitvoeringsmanagement 8.3 Uitvoeringsaspecten van wapeningsstaal 8.4 Uitvoeringsaspecten van voorspanstaal 8.5 Bekisting 8.6 Betonstorten 9. Onderhoud 9.1 Onderhoudsdoelstelling 9.2 Onderhoudsstrategieën 9.3 Onderhoudsmanagement 9.4 Toestandsbepaling 9.5 Toestandsanalyse 9.6 Evaluatie en besluitvorming 9.7 Maatregelen 9.8 Archivering 10. Demontage 10.1 Algemeen 10.2 Voorbereiding van de demontage Model Code in ontwikkeling 3 2016 Model Code in ontwikkeling 3 2016 26 thema van beton en wapeningsstaal die aan tijdsafhankelijke bescha- digingsprocessen onderhevig zijn geweest, zoals de alkali- silicareactie, vorst-dooicycli of sulfaataantasting voor beton en de corrosie voor staal. Ook met betrekking tot de vermoeiing van beton en staal moet de graad van beschadiging worden vastgesteld om in staat te zijn de resterende levensduur te bepalen. Daarbij komen ook probabilistische overwegingen aan de orde. Bepaling van de constructieve veiligheid van bestaande constructies Eerder werd al gewezen op de in de fib Model Code 2010 opge- nomen analysemodellen met grotere nauwkeurigheid (Levels of Approximation). Het belang van geavanceerde modellen neemt in de toekomst verder toe. In dit opzicht is verdere ontwikkeling van deze modellen dan ook een belangrijke doel- stelling. Bepaling van het draagvermogen van constructies met niet-optimale detaillering Hierbij kan het gaan om bijvoorbeeld te kleine verankerings- lengten van wapeningsstaven of onvoldoende dwarskrachtwa - pening. Veel constructies uit het verleden zijn gewapend met ongeprofileerd wapeningsstaal, terwijl de tegenwoordige normen vrijwel altijd uitgaan van wapening met geribd staal. Analyses met niet-lineaire rekenprogramma's liggen voor de hand, maar deze vorm van analyse vereist zorgvuldige calibratie De vijf hoofdonderdelen zijn verder onderverdeeld in hoofd - stukken die volgens de meest recente stand der techniek zijn geschreven en in een aantal gevallen aspecten bevatten die voor het eerst in een bouwnorm worden behandeld. De meer gedetailleerde inhoud staat in het kader 'Inhoud fib Model Code 2010'. Verdere ontwikkeling van de fib Model Code Momenteel komt de vraag steeds vaker naar voren hoe met bestaande constructies optimaal kan worden omgegaan. Bestaande bouwwerken zijn in het algemeen gebouwd op grond van andere eisen dan tegenwoordig aan nieuwbouw worden gesteld. Vaak zijn ook de belastingen op de constructie niet meer dezelfde als die in het ontwerp indertijd zijn aangenomen. Dat betekent dat voor bestaande bouw het actuele draagvermogen en de verwachte restlevensduur moeten worden vastgesteld. Vervolgens kan dan voor de constructie een geschikt onder - houds- en inspectieprogramma worden ontwikkeld. Met betrekking tot de fib Model Code zijn dus een aantal zaken verder door te ontwikkelen. Vaststelling van de materiaaleigenschappen bij bestaande constructies Er moeten protocollen worden opgezet voor het nemen van monsters en de bijbehorende statistische uitwerking. Een ander aspect is de vaststelling van de mechanische eigenschappen 5 27 5 Brug bij Heteren 6 Betongranulaat van de rekenprogramma's aan representatieve experimenten. In dit opzicht kan ook aan proefbelastingen worden gedacht. De regelgeving daartoe moet verder op de nieuwe problematiek worden toegesneden. Bepaling van het draagvermogen van constructies met beschadigde componenten Hierbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan modellen voor toetsing van constructies met door alkali-silicareactie beschadigd beton of aan door corrosie aangetaste wapening. Bijzondere aandacht is nodig voor constructies die in het verleden zijn gerepareerd of versterkt: de effectiviteit van reparaties zowel met betrekking tot het draagvermogen als de duurzaamheid is van belang bij het bepalen van de actuele constructieve veilig- heid en verwachte restlevensduur van bestaande constructies. Bepaling van de restlevensduur van de constructie Hierbij moet worden bedacht dat de achteruitgang van het draagvermogen niet per definitie een gelijkmatig proces in ruimtelijke zin is. In sommige gebieden zal de degeneratie sneller gaan dan in andere gebieden, waarbij de constructieve gevolgen van degradatie sterk afhankelijk zijn van de locatie van de schade en van het herverdelingsvermogen en de robuustheid van de constructie. Ook hierbij komen dus proba- bilistische aspecten aan de orde. Nieuwe versie fib Model Code verwacht in 2020 Inmiddels is een opzet gemaakt voor het verder ontwikkelen van de fib Model Code met speciale aandacht voor de proble- matiek van bestaande constructies, hetgeen naar verwachting tot een nieuwe versie van de fib Model Code in 2020 zal uitmonden. De definitieve beslissing om dit proces op te straten valt in Madrid in juni van dit jaar, bij de jaarlijkse vergadering van de fib Technical Council. ? ? LITERATUUR 1 fib Model Code 2010 for Concrete Structures, Ernst & Sohn. 2 fib Structural Concrete, Textbook on behaviour, design and performance, fib-Bulletins 51-54 en 62. 3 Amir, S., Compressive membrane action in prestressed concrete deck slabs, Dissertatie TU Delft, 4 juni 2014. 7 Onderzoek naar draagvermogen van brugdekken bestaande uit voorgespannen betonnen T-liggers, TU Delft 8 Eindige-elementenmodel krachten in tandoplegging 6 7 8 Model Code in ontwikkeling 3 2016