In het bestek van de boortunnel RandstadRail Rotterdam zijn eisen gesteld met betrekking tot de betonnen segmenten. Een van de eisen betreft het beproeven van de segmenten om de juistheid van de, door de aannemer uitgevoerde, detailengineering aan te tonen.
Doel van deze proeven is de rekenaannamen met betrekking tot de sterkte en het (bezwijk) draagvermogen van de ring- en langsvoegconstructies, die het uitgangspunt vormen van de berekeningen, te verifiëren en indien nodig aan te passen. Ook moeten de proeven inzicht verschaffen in het belastings- en vervormingsgedrag van het gekozen voegmateriaal (kaubitstroken of hardboardplaten) en de waterafdichtingsprofielen.
O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e
T u n n e l b o u w
84 cement 2007 2
De belangrijkste uitgangspunten
van het boortunnelontwerp zijn:
?
tunneldiameter:
d
uitw = 6,5 m
d
inw
= 5,8 m
?
dikte segment:
0,35 m
?
ringverdeling:
7 segmenten + 1 sluitsteen ?
ringkoppeling:
2 kom-nokverbindingen per
segment, in de kwartpunten
aangebracht;
?
ringvoeg:
2 kaubitstroken, b = 80 mm en
d = 5 mm, per kom-nokverbin-
ding.
De belastingen op de tunnel zijn
groot, vooral waar de tunnel
gedeeltelijk in de holocene kleila-
gen is gelegen, waardoor grote
vervormingen kunnen ontstaan.
Dit brengt risico's met zich mee
voor de waterdichtheid. Aangezien
dit niet wenselijk is, is tussen de
tunnelringen de kom- nokcon-
structie toegepast, per ringvoeg
twee per segment (foto 1). Koppel-
krachten (representatief ) in de
orde van grootte van 160 kN per
kom-nokverbinding zijn berekend.
Deze waarden zijn sterk afhanke-
lijk van het stijfheidsgedrag van
de kaubitstroken.
De proevenseries bestonden uit
zogenoemde kleine (basis) en
grote proeven. Bij de kleine
proeven zijn delen van de seg-
menten gemaakt en vervolgens
beproefd. Voor de grote proeven
zijn volledige segmenten gemaakt
en vervolgens tot bezwijken
gebracht.
De serie kleine proeven is uitge-
voerd in het proeflaboratoriom
van DSI-Dywidag Systems Inter-
national in Lohhof bij München,
de serie grote proeven in het labo-
ratorium van de TU Delft.
S e r i e k l e i n e p r o e v e n
De kleine proeven zijn op basis
van voorlopige berekeningen en
de door de aannemer vastgelegde
voegengeometrie uitgevoerd. De
toegepaste betonsterkteklasse was
C35/45.
Afspatproeven PA (fig. 2)
Via deze proeven is een niet-plan-
matige verschuiving bij het inbou-
wen van de segmenten onderzocht
bij een proefkracht die minimaal
overeenkomt met de gebruiksvij-
zelkracht (18473 kN). De gebruiks-
vijzelkracht is 60% van de maxi-
maal geïnstalleerde vijzelkracht
(30788 kN).
Het doel hierbij was:
?
het afspatgedrag van de kom-
nok als gevolg van de verschui-
ving te onderzoeken;
?
de maximaal toelaatbare radiale
verschuiving tussen twee ringen
te bepalen;
?
de invloed van het afdichtings -
profiel te onderzoeken.
Ringvoegproeven PR (fig. 3)
Via deze proeven is de doorgifte
van de langskrachten (vijzelkracht
TBM) met het gekozen voegmate-
riaal onderzocht.
Het doel hierbij was:
?
de breukkracht per lastinvoer -
punt in de ringvoeg te bepalen;
?
de invloed van een excentrische
lastinvoer te onderzoeken;
?
het beddingsgedrag van de last -
doorgifteplaten (hardboard d =
3,2 mm) te bepalen;
?
de juistheid van de toegepaste
betonsterkteklasse te bevestigen.
Stadsregio Rotterdam: Statenwegtunnel
Proefnemingen segmenten
boortunnel RandstadRail
ir. E. Taffijn en ir. D.C. van Zanten, Ingenieursbureau Gemeentewerken
Rotterdam
In het bestek van de boortunnel RandstadRail Rotterdam zijn eisen gesteld
met betrekking tot de betonnen segmenten. Een van de eisen betreft het
beproeven van de segmenten om de juistheid van de, door de aannemer uit-
gevoerde, detailengineering aan te tonen.
Doel van deze proeven is de rekenaannamen met betrekking tot de sterkte en
het (bezwijk) draagvermogen van de ring- en langsvoegconstructies, die het
uitgangspunt vormen van de berekeningen, te verifiëren en indien nodig aan
te passen. Ook moeten de proeven inzicht verschaffen in het belastings- en
vervormingsgedrag van het gekozen voegmateriaal (kaubitstroken of hard-
boardplaten) en de waterafdichtingsprofielen.
1 | Ko m - n o k c o n s t r u c t i e
a
b
O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eT u n n e l b o u w
cement 2007 2 85
Langsvoegproeven PL (fig. 4)
Met deze proeven is de doorgifte
van de ringkracht in de langsvoeg
onderzocht.
Het doel hierbij was:
?
de breukkracht per strekkende
meter in de langsvoeg te bepa-
len;
?
de voorziene wapening in het
gebied van de langsvoeg te be-
vestigen en indien nodig te ver-
beteren;
?
de invloed van een verdraaiing
van de langsvoeg te onderzoe-
ken.
S e r i e g r o t e p r o e v e n
Het doel van de serie grote proe-
ven was het afschuifgedrag en de
overbrenging van de koppelkracht
in de ringvoeg te onderzoeken en
zonodig te verbeteren.
Vanuit de resultaten van de kleine
proeven en de ontwerpberekenin-
gen is een configuratie van de seg-
mentwapening bepaald, die in de
segmenten van de grote proeven is
toegepast. Het principe hiervan is
dat de komflank een toeslagwape-
ning krijgt (fig. 8 en 10), terwijl de
nok ongewapend is uitgevoerd.
Per proef is gebruikgemaakt van
drie tunnelsegmenten (foto 5),
waarvan de buitenste twee via be-
tonnen sokkels verticaal aan de la-
boratoriumvloer zijn afgespannen.
Het middelste tunnelsegment is
verschuifbaar aangebracht en be-
vat twee nokken en twee kommen.
Uit de ontwerpberekeningen is ge-
bleken dat een verschilrotatie ter
plaatse van een kom-nok, de
breukcapaciteit van deze verbin-
ding substantieel doet afnemen
door het gaan leunen op één zijde
van de kom-nok. Om dit aspect in
de proef te simuleren, zijn de vier
nokken van de proefstukken ver-
draaid vervaardigd met een rotatie-
hoek
? = 8?.
In langsrichting zijn de segmen-
ten voorgespannen met een kracht
van 240 kN ter wederzijdse stabili-
teit van de proefstukken. De waar-
de is gerelateerd aan een zo realis-
tisch mogelijk samendrukken van
het waterafdichtingsprofiel.
De eigenlijke proefbelasting had
dusdanig plaats, dat alleen het
middelste proefstuk, dichtbij de
kom-nokconstructies, werd belast
(foto 5). Door middel van één
proef konden op deze wijze vier
kom-nokverbindingen worden ge-
test.
In deze proef is ook het stijfheids-
gedrag van de kaubitstroken ge-
meten.
Er zijn twee proevenseries uitge-
voerd met elk drie proefnemingen.
R e s u l t a t e n s e r i e k l e i n e
p r o e v e n
Afspatproeven PA
Ten aanzien van de verschuiving
bij de ringmontage is gebleken dat
een verschuiving ? 7 mm zonder nadelige gevolgen (beton-beton-
contact en scheurvorming) kan
worden opgenomen bij een proef-
kracht van 25536 kN, te weten
82% van de maximaal geïnstalleer-
de vijzelkracht.
Vanwege de vorm en afmetingen
van de kom-nokverbinding bleek
bij grotere verschuivingen dan
7 mm de toelaatbare vijzelkracht
sterk af te nemen.
In het ontwerp is dientengevolge
de maximale toelaatbare verschui-
ving begrensd tot 7 mm.
Ringvoegproeven PR
Hierbij geldt de eis dat zonder be-
zwijken of relevante schade de
proefkracht overeenkomend met
1,44 (?
? f? ? ?? m?
) maal de maximaal ge-
e
e
350 560
280
350
e 55 55
55
55
weg 1/3
weg 2/4 weg 4
hartlijn kom
weg 3 weg 2
weg 1
e
350 500
250
350
144
206
e
55 55
55
55
hartlijn druk-
overdrachtsvlak
hardboard plaat 300x210 - d=3,2 mm
-
+ weg 1/3
weg 2/4
F weg 4
weg 3 weg 2
weg 1
250
500 350
175
175 350 e
175
103
103
144
55 55
55
55
144
+ -
-
+
e
+
-
weg 1/3
weg 2/4
F
hartlijn druk-
overdrachtsvlak
langsvoeg weg 4
weg 3 weg 2
weg 1
2
| Pr o e fo p s t e l l i n g PA . D e
m e e t s e n s o r e n z i j n s c h e -
m a t i s c h m e t ' We g ' a a n -
g e g eve n
3 | P
r o e fo p s t e l l i n g P R
4 | P
r o e fo p s t e l l i n g P L
O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e
T u n n e l b o u w
86 cement 2007 2
installeerde vijzelkracht, in combi-
natie met de hoekverdraaiing en
excentriciteit, kan worden opgeno-
men.
Vanuit de proefresultaten is de ex-
centriciteit van de lastinvoer (vij-
zel) begrensd tot 40 mm en de
hoekverdraaiing tot 10?.
De gekozen geometrie en wape-
ning van de ringvoeg, alsmede de
aangehouden stijfheid van de
hardboardplaten in de berekenin-
gen, zijn door de proeven beves-
tigd.
Langsvoegproeven PL
De proeven zijn uitgevoerd voor
een aantal belastingsconfiguraties,
waarvan twee extremen zijn te on-
derkennen. Ten eerste de situatie
waarbij de grootste normaalring-
kracht optreedt in combinatie met
de daarbij behorende hoekver- draaiing (?
N k? = -2184 kN/m en
? = 1?). Vervolgens het tweede
geval met de grootste hoekver-
draaiing in combinatie met de
aanwezige normaalringkracht
(? N
k? = -1728 kN/m en ? = 19?).
Indien deze belastingsgevallen,
met toepassing van een algehele
veiligheidsfactor van 1,7, in de
proef zonder schade dan wel be-
zwijken kunnen worden opgeno-
men, is de gekozen geometrie en
wapening van de langsvoeg door
de proeven bevestigd.
De proefresultaten laten zien dat
geen beschadigingen of scheuren
op de contactvlakken van de langs-
voegen zijn ontstaan (foto 6).
In de ontwerpberekening van de
tunnelsegmenten is de betoncapa-
citeit van de langsvoegen bepaald
via een beschouwing als beton-
scharnier. Hoewel hier geen spra-
ke is van een echt betonscharnier,
geeft dit toch een goede benade-
ring. Daarbij wordt een volgens de
VBC toegestane verhoogde reken-
waarde van de druksterkte toege-
past. Bij een normaaldrukkracht
van 1750 kN/m kan dan een mo-
ment worden opgenomen van 125
kNm/m bij een rotatie van 14?.
In figuur 7 is de toegepaste langs-
voegconfiguratie weergegeven.
R e s u l t a t e n s e r i e g r o t e
p r o e v e n
Eerste serie
De wapeningsconfiguratie van de
kom-nokken van de eerste serie
van drie proeven is aangegeven in
figuur 8. De komflank kreeg hier -
bij een toeslagwapening, de nok is
ongewapend.
Per proef zijn vier kom-nokverbin-
dingen aanwezig. Vanwege de lig-
10
90 3 72 72 30 33 40
103
144
103
350
400
62 40
14
3
7
6 7
86
dichtingssleuf
5
| Pr o e fo p s t e l l i n g s e r i e
g r o t e p r o eve n . D e t we e
b u i t e n s t e s e g m e n t e n z i j n
o p d e l a b o r a t o r i u m v l o e r
a f g e s p a n n e n , h e t m i d -
d e l s t e s e g m e n t wo r d t
d i r e c t n a a s t d e vo e g e n
b e l a s t
6 | B
e p r o e f d e l a n g s vo e g
7 | T
o e g e p a s t e l a n g s vo e g -
c o n f i g u r a t i e
O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eT u n n e l b o u w
cement 2007 2 87
ging van de segmenten zijn er
echter twee representatief, omdat
twee kom-nokken aan de binnen-
en twee aan de buitenzijde worden
belast. Per proevenserie waren er
zodoende zes bruikbare resulta-
ten.
De kom-nokbreukkrachten die tij-
dens de beproevingen (foto 9) zijn
opgetekend, 200 à 250 kN per
kom-nok, bleken aanzienlijk be-
neden de te realiseren minimale
breukkrachten te liggen. Na sta-
tistische bewerking, waarbij het
beperkt aantal proeven een rol
speelde, resulteerde een toelaat-
bare kom-nokkracht van circa
100 kN.
Analyse van de kom-nokverbin-
dingen toonde aan dat de kom
aan de binnenzijde het zwakke
element vormde. De gerealiseerde
betondekking van de toeslagwa-
pening bleek groter te zijn dan voorzien (~
40 mm). Ook bleken
de lasverbindingen tussen de toe-
slag- en dwarswapening te zwak
en waren deze staven te kort.
De eerste proevenserie heeft ge-
leid tot een verbeterde kom-nok-
(wapenings)configuratie, een
kwaliteitsimpuls voor het produc-
tieproces en een tweede proeven-
serie.
Tweede serie
Ten opzichte van de eerste serie is
de toeslagwapening vermeerderd
van 6Ø10 naar 10Ø10, zijn vier-
punts krachtlassen toegepast en is
de dwarswapening verlengd en ge-
bogen uitgevoerd. Buiten deze
aanpassingen loopt ook de toeslag-
wapening iets verder de hoeken
in, waarbij de dekking van de toe-
slagwapening werd verkleind van
25 naar 20 mm (fig. 10).
De nu gevonden breukkrachten
waren substantieel hoger, 270 tot
320 kN per kom-nok (fig. 11). Na
statistische bewerking resulteerde
een toelaatbare kom-nokkracht
van circa 160-170 kN.
De betondekkingen hadden nu de
juiste waarde (± 1 mm), derhalve
tussen 19 en 21 mm. Naar aanlei-
ding van de bezwijkbeelden
(fig. 11, foto 12) kon worden ge-
concludeerd dat de lasverbindin-
gen goed waren uitgevoerd.
In het ontwerp is voorzien dat de
tijdelijke bouten worden aange-
bracht ter hoogte van de kom-nok-
verbindingen. Vanuit beide proef-
serieresultaten kon worden
geconcludeerd dat de schroefgaten
40
32
25 25
40
binnen buiten toeslagwapening
6Ø10
dwarswapening
van de
toeslagwapening 2-punts hechtlas
8
| De t a i l ko m wa p e n i n g e e r-
s t e s e r i e
4430
25
25 20
34
20
binnen buiten
+1
+1
+1
+1 +1
+1
+1
toeslagwapening
10Ø10
dwarswapening
van de
toeslagwapening 4-punts krachtlas
9
| Be z we ke n ko m c o n s t r u c-
t i e e e r s t e s e r i e
1 0 | D
e t a i l ko m wa p e n i n g
t we e d e s e r i e
0
50
100 150 200 250 300 350
0 168 191 283 454 638 1010 1186 1332 1461 1503 2001
tijd (s)
kracht (kN)
kom-nok 1kom-nok 2
1 1 |
Ka r a k t e r i s t i e k k r a c h t- t i j d d i a g r a m t we e d e s e r i e
1 2 |
B
e z we ke n ko m c o n s t r u c t i e t we e d e s e r i e
O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e
T u n n e l b o u w
88 cement 2007 2
voor deze bouten geen draag-
krachtverminderende invloed heb-
ben.
De proeven zijn uitgevoerd bij een
verdraaiingshoek
? = 8?, groter
dan de rekenkundig bepaalde
hoek van 6? die bij de maximale
koppelkracht behoort. Derhalve is
in de proeven voldoende rekening
gehouden met deze invloed.
P r o e f p r o d u c t i e
Nadat de verschillende beproevin-
gen waren uitgevoerd is de proef-
productie opgestart. Tijdens de
proefproductie bleek dat de te han-
teren toleranties op de maatvoe-
ring en plaatsing van de wape-
ningskorven aanleiding konden
geven tot grotere dekkingen. Dit
was met name van belang bij de
toeslagwapening in de kommen,
waar de wapening juist zoveel mo- gelijk tot in de hoek was doorge-
zet. Een productietolerantie op de
plaatsing van de komwapening
van maximaal 5 mm was echter
wenselijk (fig. 13).
Dit heeft er toe geleid dat, voor lo-
caties in het boortunneltracé waar
grote koppelkrachten zijn bere-
kend, de toeslagwapening ther-
misch verzinkt is uitgevoerd
(foto 14). Toepassing van deze ver-
zinkte wapening van de kom gaf
namelijk de mogelijkheid dat de
dekking van deze staven kon varië-
ren tussen 15 en 20 mm. Aanvul-
lend onderzoek heeft aangetoond
dat deze oplossing niet nadelig
uitwerkt op de duurzaamheid van
de tunnelconstructie.
Voor locaties in het boortunneltra-
cé met lagere koppelkrachten kon
worden volstaan met de wape-
ningsconfiguratie volgens de twee-
de proevenserie, maar met accep-
tatie van een grotere dekking van
de toeslagwapening, namelijk tus-
sen 20 en 30 mm.
Met betrekking tot de kaubitstro-
ken hebben de proeven als resul-
taat opgeleverd dat het in de bere-
kening gehanteerde stijfheids-
verloop marginaal iets groter was
dan uit de proeven naar voren
kwam. Een en ander betekent dat
de in de berekening gehanteerde
stijfheid heeft geleid tot iets grote-
re koppelkrachten.
C o n c l u s i e
De in het bestek vastgelegde werk-
wijze met beproeving van de seg-
menten heeft ertoe geleid dat de
krachtswerking van de segmenten
voorafgaande aan het productie-
proces kon worden geoptimali-
seerd en getoetst. Met name voor
die onderdelen van de boortunnel
waar de krachtswerking complex
is, zoals de kom-nokverbinding, is
de uitvoering van 1:1 beproevin-
gen noodzakelijk gebleken. n
1 4 | Th e r m i s c h ve r z i n k t e
ko m wa p e n i n g
4330
25
25 13
33
20
binnen buiten
+5/0
+5/-5
+5/-5
+5/-5
+5/-10
+5/-5 +5/-5
toeslagwapening
10Ø10 - thermisch
verzinkt
dwarswapening
van de
toeslagwapening 4-punts krachtlas
1 3
|
De t a i l ko m wa p e n i n g
s p e c i f i e ke s e g m e n t e n ,
zo a l s i n ove r g a n g
P l e i s t o c e e n - H o l o c e e n
Reacties