themaWapeningscorrosie in de Maastunnel420132themaWapenings-corrosie in deMaastunnelIn de tijd dat de Maastunnel in Rotterdam in gebruik werd genomen, bevatten uitlaatgassen nog veel lood.Een gedegen ventilatiesysteem was nodig om ervoor te zorgen, dat mensen de tunnel zonder gezond-heidsrisico's konden gebruiken. In dit ventilatiesysteem is asbest gebruikt dat in 2011 en 2012 is gesaneerd.Bij een visuele inspectie werd duidelijk dat grote delen van de wapening niet meer waren voorzien van eenbetondekking en dat de wapening zelf aanzienlijke corrosie vertoonde. Er ontstond zorg over de construc-tieve veiligheid. Dat terwijl de intentie bestaat de tunnel nog ten minste vijftig jaar operationeel te houden.1Aanpak voor de lange termijn noodzakelijkWapeningscorrosie in de Maastunnel 42013 33 Waargenomen corrosie in de ventilatiekanalen van de Maastunnel4 Een gecorrodeerde wapeningsstaaf uit deMaastunnelDe Maastunnel ligt onder de Maas in Rotterdam en is een vande drie oeververbindingen in het stadscentrum. De bouwduurde van 1937 tot 1942. Toen de tunnel werd gebouwd, washet nog de vraag of beton voldoende waterdicht was. Daarom isrondom de tunnelconstructie een stalen vlies aangebracht.De Maastunnel is de eerste afgezonken betonnen tunnel terwereld. Het afgezonken deel bestaat uit negen elementen. Devoegen tussen deze zinkelementen zijn niet voorzien vanbijvoorbeeld Gina-profielen zoals bij moderne zinktunnels,maar zijn star verbonden. Dit is gedaan door onder water hetstalen vlies door te lassen, de wapening van de tunnelelemen-ten met elkaar te verbinden en de voegen aan te storten.De zinkelementen hebben een totale lengte van 9 ? 61 m. Dehoogte varieert van 8,4 tot 9,5 m en de breedte is 25 m. Deconstructieve betondikte van de ondervloer is ongeveer 1,1 m.De tunnel bestaat uit twee hoofdbuizen voor wegverkeer entwee boven elkaar liggende buizen voor voetgangers en fietsers(fig. 2). Onder de rijdekken voor de voertuigen zijn ventilatie-kanalen aanwezig die op regelmatige afstand ventilatiepijpenhebben naar de hoofdbuizen. Deze pijpen bevatten asbest enmoesten worden gesaneerd. Omdat tevens de ventilatiekanalenwaren bevuild, zijn deze ook gelijk gereinigd.CorrosieGedurende de visuele inspectie na de sanering van de ventila-tiekanalen werd duidelijk, dat behoorlijke aantasting van dewapening was opgetreden (foto 3 en 4). Over grote delen vande onderkant van de ventilatiekanalen bleek de betondekkingte zijn verdwenen en de wapening bloot te liggen. Bovendienbleek de wapening te zijn gecorrodeerd. Ook het rijdekvertoonde in iets mindere mate aantasting. Uit de metingenbleek dat er behoorlijke chlorideconcentraties rondom dewapening aanwezig waren. Deze chloriden zijn afkomstig uitdooizouten die door het ventilatieregime en door scheuren inhet rijdek in de ventilatiebuizen zijn terechtgekomen. Tijdensregenachtige en sneeuwdagen wordt het beton blootgesteld aanvochtige lucht, terwijl tijdens droge dagen juist droge luchtaanwezig is. Hierdoor kunnen chloriden zeer snel het betonindringen, wordt de wapening gedepassiveerd en start decorrosie door de overvloedige aanwezigheid van vocht en zuur-stof.dr.ir. Kees Blom, ir. Diederik van ZantenGemeentewerken Rotterdam1 Noordzijde Maastunnel, Rotterdam 1966foto: Olav ten Broek2 Dwarsdoorsnede van de Maastunnel met deverkeerstunnel en de ventilatiekanalenIABSE-congres 2013Dit artikel is gebaseerd op de paper`Impact ofcorrosion on the first immersed concrete tunnel,the Maastunnel'van het IABSE-congres 2013 dat inmei in Rotterdam plaatsvond.ventilatiekanalen243b3athemaWapeningscorrosie in de Maastunnel420134juli 2011dieptemetingen MaassedimentenanalysewapeningsschouwmateriaalonderzoekNL EEM-analyseprobabilistiek herstelvoorbereiding definitiefherstelplan en contractfasealternatievenherstelplanimpacttijdEen belangrijk onbekende parameter was het soortelijk gewichtvan de dekking op de tunnel. Daarom zijn ook metingengedaan naar de samenstelling van de dekking. Zonder dezemetingen moest namelijk een conservatieve aanname wordengedaan voor het soortelijk gewicht van de grond. De metingenwezen op een samenstelling met een laag soortelijk gewicht.De berekeningen werden hierop aangepast en het plan om dedekking te verminderen, hoefde niet te worden uitgevoerd.Er ontstond echter wel een discussie waarom de dekking 9 mwas in plaats van 2 tot 4 m. Het werd duidelijk dat tijdens deoorlog het ontwerpuitgangspunt niet in de onderhoudsplannenvan de havenautoriteiten was terechtgekomen en na de oorlogwas er geen aandacht meer voor.ActiesHet toepassen van plasticiteitsberekeningen in plaats van elasti-sche berekeningen betekent impliciet, dat wordt ingeleverd op detotale constructieve veiligheid. Daarnaast zijn uitgangspuntengekozen voor de nog aanwezige effectieve wapening, de betons-terkte en het faalmechanisme. Dat het slechts om uitgangspuntenging, leidde tot belangrijke risico's. Er is een plan gemaakt omdeze uitgangspunten te onderbouwen door nadere onderzoekenen metingen aan de wapening en het beton. Bovendien moesthet bezwijkmechanisme worden bewezen met fysisch niet-lineaire eindige-elementenberekeningen.Een ander probleem was de constructieve veiligheid voor delange duur. De plasticiteitsberekeningen waren op dat gebiedniet overtuigend, aangezien het corrosieproces van de wape-ning doorgaat. Er worden op dit moment dan ook herstelplan-nen opgesteld die binnen een aantal jaren tot uitvoeringkunnen komen. Daarbij wordt gebruikgemaakt van NEN 8700en 8701, normen voor de beoordeling van de constructieveveiligheid van bestaande bouwwerken.Onmiddellijk rees de vraag of de constructieve veiligheid nogwel voldoende was om de waterdruk van meer dan 25 m te weer-staan. Om dat te bepalen is het essentieel de hoeveelheid wape-ning te weten die nog steeds effectief is. Statistische gegevens vande wapening, het beton en de belasting waren er echter niet. Opbasis van observaties en in overleg met externe adviseurs is vast-gesteld, dat ten minste 25 tot 30% van de wapening effectief inrekening kon worden gebracht. Bovenal was geen scheurvor-ming waargenomen die kon duiden op een majeur falen.De originele ontwerpdocumenten bleken nog aanwezig te zijn.Opmerkelijk omdat tijdens de oorlog veel van dit soort docu-menten verloren zijn gegaan. Uit deze documenten was deoorspronkelijke wapening en de staalkwaliteit te achterhalen.Op basis van een elastische berekening en de aanname dat 25 ?30% van de wapening resteert, kon niet worden aangetoond datde constructie voldoende veilig was. Omdat het een statischonbepaalde constructie is, is hij echter in staat tot herverdelingvan de krachten. Daarom is verdergegaan met een niet-lineaireanalyse waarbij gebruik is gemaakt van de plasticiteitstheorie.Hiermee is aangetoond dat de constructieve veiligheidvoldoende is bij de aanwezigheid van 25% effectieve wapening.Belasting uit dekkingEen van de uitgangspunten die bepalend is bij deze berekeningis de dekking op de tunnel. Deze dekking oefent immers doorde oplegdruk ook een belasting uit op de ondervloer. In 2009zijn door de havenautoriteiten metingen gedaan van de water-diepte boven de tunnel. Hieruit bleek dat er 9 m dekkingaanwezig was. Uit het originele ontwerp bleek echter dat er isgerekend op 2 tot 4 m dekking bestaande uit zand. Dat bete-kent dat mogelijk een grotere belasting op de tunnel aangrijpt.Op basis van een risico-inventarisatie is een plan opgesteld omde overhoogte van de dekking te verwijderen voordat hetstormseizoen zou beginnen.5 Impact als functie van tijdmet mitigerende maatregelen voor de impact6 Be?nvloedende factorenherstelplan7 Impressie van de doorsnede van de tunnelbodemmet het faalmechanismedoor buiging; de belastingis de waterdruk rondom detunnel en de bodem kandeze druk niet weerstaan 5Wapeningscorrosie in de Maastunnel 42013 5herstelplan voornog vijftig jaarstate of the artoplossingentechnisch managementgebruikersveiligheidsdienstenstadsverkeerpolitiekbevolkinghuidige conditietunnelveiligheidvergunningennormenmonumentMbMa McEEM-analyseDe maatgevende faalmechanismen voor de tunnelbodem zijnfalen door buiging (fig. 7) en falen door dwarskracht. Uit deoorspronkelijke wapeningstekeningen blijkt dat de gecorro-deerde wapening van de onderste vloer niet alleen wordt toege-past ten behoeve van buiging, maar ook ten behoeve vandwarskracht (als opgebogen wapening). Voor het buigingsme-chanisme geeft herverdeling extra sterkte maar of herverdelingook positief werkt voor het dwarskrachtmechanisme kan nieteenvoudig worden gesteld. Mogelijk heeft de reductie van dewapening hier wel een groot effect op.Hoewel de aanwezige wapening dus hoger bleek dan aanvanke-lijk werd aangenomen, is het de vraag of de hechting tussen hetbeton en deze wapening wel voldoende is. Belangrijkste redenvan twijfel is de ontbrekende dekking. Deze aanhechting isonderzocht door TNO met behulp van de fysisch niet-lineaireberekeningen met de eindige-elementenmethode DIANA.Zeker het meenemen van de hechtingsproblematiek in EEM isinnovatief.Figuur 8 illustreert enige resultaten van de fysisch niet-lineaireEEM-analyse. De belastingen op de buitenkant zijn gegeven alsfunctie van de verticale deformatie van het midden van detunnelvloer van een tunnelbuis (positie `Mb' in fig. 7). Het blijktduidelijk dat een wapeningsreductie tot nul de constructieveveiligheid laat afnemen. Er kan namelijk minder waterdrukworden weerstaan. In dit geval halveert de belasting die kanworden opgenomen ten opzichte van de ontwerpsituatie.Uit de analyse is bevestiging gekomen over het aangenomenbezwijkmechanisme in de plasticiteitsanalyse. Op basis van deuitgevoerde analyses, is komen vast te staan dat de construc-tieve veiligheid voldoet aan de eisen uit NEN 8700 en 8701.Op basis van het bovenstaande zijn drie parallelle acties uitge-zet (fig. 5):? Het meten en analyseren van het wapeningstaal, het betonin de tunnel en de dekking op de tunnel, om de betrouw-baarheid van de uitgangspunten van de berekeningen tevergroten.? Het maken van een fysisch niet-lineaire eindige-elementen-analyse om het faalmechanisme te onderbouwen.? Het opstellen van een herstelplan dat binnen enkele jaren kanworden opgestart.MetingenEr zijn metingen verricht aan het beton en de wapening.Hieruit kon worden geconcludeerd dat de resterende hoeveel-heid wapening in de orde van 60% van de oorspronkelijkehoeveelheid lag, in plaats van de geschatte 25-30%. Wel is hetde vraag of de hechting tussen het beton en de wapeningvoldoende is, omdat de dekking ontbreekt.Uit de materiaalanalyses is verder gebleken dat de chloridecon-centraties rondom de wapening de bekende grens van 0,5?1,0%overschrijden. Dit betekent dat het aannemelijk is dat depas-sivering van de wapening optreedt en daaropvolgend de corro-sie is gestart. Dit is duidelijk te zien in foto 3 en 4. Om dezechlorideconcentraties te mitigeren en de corrosie te stoppen ofaf te remmen, kunnen de volgende oplossingsrichtingenworden bepaald:1 totale sanering van het beton waar deze concentraties optre-den;2 kathodische bescherming;3 gedeeltelijke reparaties met korte tijdsintervallen en inspec-ties.Elke oplossing heeft voor- en nadelen. Het is gebleken dat ergeen optimale oplossing bestaat voor het probleem, omdat debeoordelingscriteria niet alleen puur technisch zijn. Figuur 6laat een scala aan be?nvloedende factoren op de criteria zien.6 7themaWapeningscorrosie in de Maastunnel420136belastingdoorwaterdrukvervorming van het midden van de tunnelbuis100% hechtingeerste scheurvorming100% slip0%corrosieafname wapeningafname constructieve veiligheidafsluiten tunnel tunnelhersteltijdelijke afsluitinggrote impact gemiddelde impact beperkte impactConclusies? Het is duidelijk geworden dat belangrijke betonnen kunst-werken onderhevig kunnen zijn aan zware corrosie. Deonmiddellijke vraag is of de constructieve veiligheid nog isgewaarborgd. Een tekort aan gegevens zorgt ervoor, dat opbasis van conservatieve uitgangspunten een uitspraak moetworden gedaan. Metingen zorgen ervoor dat de betrouwbaar-heid van de uitgangspunten groter wordt, maar metingenkosten tijd.? Statisch onbepaalde constructies hebben de mogelijkheid totherverdeling, waardoor alsnog kan worden aangetoond datde constructieve veiligheid voldoet.? Rondom corrosie bestaat veel kennis, maar vooral over hetvoorkomen ervan. In dit geval is corrosie al aanwezig en iskennis nodig hoe alsnog vijftig jaar functionaliteit kanworden gerealiseerd. De oplossingsruimte om corrosie testoppen, is nog beperkt.? Het repareren van een tunnelconstructie met corrosie kangrote impact hebben. Deze is niet alleen technisch, maar ooksociaal, economisch en politiek van aard.? In dat daglicht moet een plan worden vastgesteld waarbijrecht wordt gedaan aan de belangen van de constructieveveiligheid, de tunnel als verkeersader, de overlast die wordtveroorzaakt door herstel enzovoort. Het moge duidelijk zijndat dit geen eenvoudige afweging is en dat weinig referentie-projecten bestaan. Momenteel wordt volop gewerkt aan hetopstellen voor het plan voor de Maastunnel.Resteert nog de noodzaak tot bewustwording rondom andere,grote tunnels. De Maastunnel is immers de eerste afgezonken,betonnen tunnel. HerstelplanHerstelactiviteiten kunnen grote invloed hebben op de functievan de tunnel, zeker gezien het belang ervan als oeververbin-ding in de binnenstad van Rotterdam. Bovendien is de beschik-bare werkruimte in de ventilatiekanalen beperkt. Het is daarommaar de vraag of herstel mogelijk is zonder be?nvloeding vande verkeersstromen in de stad.Het afsluiten van een enkele buis heeft direct invloed op hetveiligheidsconcept. Als bijvoorbeeld in de ene buis een branduitbreekt, ontbreekt in dat geval een vluchtbuis of de mogelijk-heid voor hulpverleners in actie te komen.Om dit probleem op te lossen, kan ervoor worden gekozen detotale tunnel af te sluiten en het herstel in beide buizen tegelij-kertijd uit te voeren. De herstelwerkzaamheden nemenmaanden in beslag en de oeververbinding is gedurende al dietijd niet beschikbaar voor het wegverkeer. Dit heeft groteimpact op de maatschappij, de publieke evenementen in de staden het onderhoud aan de andere oeververbindingen enprimaire infrastructuur.De keuze voor het herstel is dus afhankelijk van de totaleimpact van de corrosie (fig. 9). Als de corrosie leidt tot een telage constructieve veiligheid, dan moet de tunnel buiten dienstworden genomen. Hierbij speelt ook een rol hoe in de toekomstwordt omgegaan met de constructieve veiligheid. Het ongelimi-teerd laten doorgaan van de corrosie is vanuit het perspectiefvan goed huisvaderschap geen wenselijke optie.Tot op heden is nog geen definitief herstelplan vastgesteld. Deafwegingen zullen zorgvuldig moeten plaatsvinden, omdat deimpact zeer groot kan zijn (fig. 5).8 Resultaten van deEEManalyse: belasting alsfunctie van de verticaleverplaatsing voor een aantal wapeningsconfiguraties9 Flowchart van de impactvan de corrosie8 9