1
SBRCURnet-commissie Het preadvies ‘Restlevensduur van bestaande betonconstructies’ is opgesteld door SBRCURnet-commissie 1958. Deze bestaat uit dr.ir. C.B.M. Blom (voorzitter), ir. M. Egas, E.J.A. Ermens, ir. T.W. Groeneweg, ing. N.N.A. van Huet, ir. J.G.A. van Hulst (projectmanager), ing. A.
Preadvies opgesteld voor bepalingsmethode restlevensduur betonconstructies
Kremer, ir. P.A. Lanser, dr. ir. M.A. van Leeuwen, prof.dr. R.B. Polder en ing. J. de Vries. Het preadvies is (gratis) te downloaden via de site van SBRCURnet (www.sbrcurnet.nl).
Bepaling restlevensduur urgent 54
7 2 014
Bepaling restlevensduur urgent
dr.ir. Kees Blom, Ingenieursbureau Gemeente Rotterdam / TU Delft ir. Tom Groeneweg Movares Nederland B.V. ir. Hans van Hulst SBRCURnet prof.dr. Rob Polder TNO / TU Delft ing. Hans de Vries Rijkswaterstaat GPO
1 Knoopunt Prins Clausplein foto: https://beeldbank.rws.nl, Rijkswaterstaat / Harry van Reeken
2 Aantal bruggen en viaducten in rijkssnelwegen gebouwd vanaf 1920
Omdat de markt als gevolg van deze ontwikkelingen vraagt om een bepalingsmethode restlevensduur betonconstructies, is SBRCURnet-commissie 1958 eind 2013 met dit onderwerp aan de slag gegaan. Inmiddels is een preadvies opgesteld. De vervolgactiviteiten van de commissie moeten – op relatief korte termijn – leiden tot het opstellen van een praktijkaanbeveling, die opdrachtgevers, beheerders en marktpartijen houvast biedt als het gaat om het bepalen van de restlevensduur van bestaande betonconstructies. Dit artikel geeft de bevindingen van de commissie weer, met aandacht voor de achtergronden en de belangrijkste keuzen.
Betonconstructies worden niet alleen ouder; het aantal dat een respectabele leeftijd bereikt, neemt de komende decennia zelfs drastisch toe. Er is dus veel kennis nodig ten behoeve van onderhoud, repa-
Definitie restlevensduur
ratie en eventuele vervanging van grote aantallen
SBRCURnet-commissie 1958 is begonnen met het opstellen van een (breed gedragen) definitie. Het begrip (rest)levensduur wordt in de literatuur onderverdeeld in technische/constructieve, functionele en economische levensduur. Alle drie deze begrippen zijn bepalend bij het vaststellen van het moment waarop een kunstwerk wordt vervangen, aangepast of ingrijpend hersteld en dus het moment waarop het einde van een bepaalde vorm van levensduur is bereikt. Vanwege de afkadering van het op te stellen preadvies en vervolgonderzoek, is gekozen om de definitie te beperken tot de constructieve (technische) restlevensduur en de werkzaamheden voornamelijk hierop te richten.
betonconstructies, mede onder invloed van sterk veranderende gebruikseisen. De huidige praktijk laat echter zien dat het bepalen van de restlevensduur van die constructies niet goed mogelijk is. Een SBRCURnet-commissie heeft in juli 2014 preadvies opgesteld voor onderzoek naar de restlevensduur van bestaande betonconstructies.
Bepaling restlevensduur urgent
1000
800
600
400
aantal
Een positieve eigenschap van beton is dat het met de tijd sterker wordt. Minder positief is dat allerlei mechanismen het beton of de wapening kunnen aantasten, waardoor de eigenschappen met de tijd achteruitgaan. Ook kunnen belastingen toenemen, bijvoorbeeld door het verkeer. Daarbij komt dat sinds 2012, via het Bouwbesluit, NEN 8700 van kracht is. In de norm worden eisen gesteld aan de constructieve veiligheid van bestaande constructies, inclusief de verplichting rekening te houden met aanwezige en toekomstige aantasting (en belasting). Op welke wijze dit moet gebeuren, wordt echter niet aangegeven. Inmiddels is er het besef dat betonconstructies een eindige levensduur hebben. Hiermee komt het begrip restlevensduur in beeld. Steeds vaker wordt de vraag gesteld hoe lang een constructie nog meekan, zowel vanuit het (constructieve) veiligheidsaspect als vanuit toenemende gebruikseisen (functionaliteit). Het is van belang ‘de’ restlevensduur te kennen bij het plannen van onderhoud van de constructies en bij overdracht van eigendom (of beheer). Beide spelen een rol bij uitbreiding van wegen, waarin oude en nieuwe kunstwerken samen een nieuw wegtracé vormen en waarbij in toenemende mate met zogenoemde DBFM-contracten (Design, Build, Finance & Maintain) wordt gewerkt.
Met NEN 8700 en de Eurocode in het achterhoofd, is de restlevensduur gedefinieerd als: “Resterende periode gedurende welke een (beton)constructie of een deel daarvan voldoet aan
200
0
19201930
19301940
19401950
19501960
19601970
19701980
19801990
19902000
20002010
20102020
periode
2
7 2 014
55
3 Verdeling van betonschade door chloridegeïnduceerde corrosie, als functie van de ouderdom van betonnen bruggen en viaducten 4 De Hollandse Brug, gebouwd in 1969 foto: https://beeldbank.rws.nl, Rijkswaterstaat / Afdeling Multimedia Rijkswaterstaat
De toepassing ervan bepaling van de restlevensduur van bestaande betonconstructies staat nog in de kinderschoenen. CUR-commissie B82 heeft begin jaren 2000 onderzoek gedaan naar de duurzaamheid van betonconstructies aan zee [5]. Er werden zes constructies van twintig tot veertig jaar oud intensief onderzocht. Corrosie door indringen van chloride bleek het belangrijkste aantastingsmechanisme te zijn; carbonatatie, uitloging, ASR, vorstschade en erosie bleken niet bepalend voor de levensduur. De aangetroffen chloride-indringing werd vergeleken met het DuraCrete-model, waarbij afwijkingen werden gevonden voor hoogovencement. Uit de vergelijking zijn aanpassingen aan het model en aan enkele parameters afgeleid. Een model is voorgesteld voor herontwerp op levensduur van bestaande constructies aan zee en op basis van metingen aan de constructie. Opgemerkt wordt dat dit feitelijk een model is voor het bepalen van de restlevensduur. Het is echter beperkt tot betonconstructies in zeemilieu.
Gebouwen Ook in gebouwen treden aantastingmechanismen op, maar daar spelen nog vele andere factoren. Bekende gevallen van levensduurproblemen in gebouwen zijn: afname van de veiligheid door corrosie in uitkragende galerijen en corrosieschade in beton met ingemengd chloride (beganegrondvloeren, consoles). Deze kwesties zijn voor een deel aangepakt (CUR 248 ‘Onderzoek naar en beoordeling van de constructieve veiligheid van uitkragende betonnen vloeren van galerijflats’, in revisie) en CUR-Aanbeveling 79 (‘Beoordelen van Kwaaitaal- en Manta-beganegrondvloeren’).
een constructief betrouwbaarheidsniveau conform NEN 8700 met inachtneming van regulier onderhoud, zonder (niet gepland) ingrijpende maatregelen.” Wat precies wordt verstaan onder regulier onderhoud en ingrijpende maatregelen wordt in het preadvies nader toegelicht. Kort samengevat: regulier onderhoud omvat het dagelijkse onderhoud alsmede kleine herstelmaatregelen en ingrijpende maatregelen betreffen noodzakelijke activiteiten bedoeld om de constructieve betrouwbaarheid te waarborgen.
Databases Een andere aanpak voor de restlevensduurbepaling kan zijn het gebruikmaken van databases, waarin relevante waarnemingen en gegevens van constructies zijn bijgehouden. Op basis van die gegevens zou een extrapolatie kunnen worden gemaakt om een indruk te geven van de restlevensduur, gebaseerd op ervaringen met het gehele areaal. In de afgelopen decennia is hieraan echter geen consequente uitvoering gegeven. Het proefschrift van Gaal [6] bevat wel informatie die uitgaat van een dergelijke aanpak. Ook het maken van een relevant opleverdossier, ook wel een birth certificate genoemd, is destijds een aanbeveling geweest. In de afgelopen decennia is ook hieraan geen uitvoering gegeven.
Het vraagstuk van de (rest)levensduur is niet nieuw. Sinds 1989 is enkele malen collectief onderzoek gedaan (o.a. [1], [2] en [3]). De opgestelde documenten worden gezien als goede brondocumenten die met meerdere tussenliggende jaren zijn geschreven en daardoor inzicht geven in de kennisontwikkeling in de tijd. Document [1] stamt uit 1989, document [3] uit 2005. Ze bestrijken dus vijftien jaar. De algemene insteek in deze stukken is dat de constructieve restlevensduur wordt beïnvloed door aantastingsmechanismen en belastingtoenamen. De mechanismen, inspectie- en meetmethoden worden in de rapporten benoemd. De opvattingen daarover zijn in de afgelopen circa 25 jaar niet wezenlijk veranderd.
Modellen Een beperkt aantal aantastingsmechanismen is modelmatig beschreven, onder andere in DuraCrete [4]. Het gaat om modellen voor de initiatie van wapeningscorrosie door carbonatatie en door het indringen van chloride, alsmede voor propagatie van corrosie. De eerste toepassing van die modellen is bij nieuwbouw (levensduurontwerp). Hoewel hiermee bij een aantal projecten ervaring is opgedaan, is het toepassen van dit soort modellen geen dagelijkse praktijk. Een praktische vraag is of voor de wel aanwezige modellen alle parameters voldoende betrouwbaar kunnen worden vastgesteld.
56
fractie van het totale aantal bruggen met corrosie
Literatuuronderzoek
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000 0 3
7 2 014
20
40
60
80
100
120
leeftijd in jaren
Bepaling restlevensduur urgent
4
Onderzoek databases
Aantastingsmechanismen
Databases van Rijkswaterstaat die al eerder waren vervaardigd, zijn in het onderhavige onderzoek geraadpleegd voor informatie rondom het slopen van kunstwerken [7]. Overzichten zijn gemaakt van gesloopte kunstwerken, ouderdom, het moment van sloop en de technische beoordeling op het moment van sloop. Dit om te pogen een indicatie te geven van de reden voor sloop. Het is duidelijk dat het overgrote deel van de kunstwerken niet wordt gesloopt vanwege de constructieve staat, maar vanwege functionele redenen. Ook blijkt dat de technische staat van de kunstwerken ten tijde van de sloop over het algemeen niet als kritisch werd beoordeeld. Of bij de onderzochte kunstwerken eerder ingrijpend onderhoud heeft plaatsgevonden, is niet bekend. De leeftijd van de gesloopte kunstwerken varieert van twintig tot tachtig jaar, met een piek rond de vijftig jaar. De meest voorkomende levensverwachting van het nog in gebruik zijnde deel van het beschouwde areaal, ligt echter tussen de negentig en 100 jaar. De voorspellende waarde van deze analyse is beperkt. Enerzijds omdat het aantal gesloopte constructies relatief klein is (ca. 160 op een totaal van ca. 4000), anderzijds omdat veel sloopgevallen voortkomen uit de recente golf van weguitbreidingen (sinds 2000). Informatie over de restlevensduur kan mogelijk worden verkregen uit de huidige praktijk van sloop (en vervanging).
Betonnen infrastructuur staat bloot aan weer en wind, inclusief dooizouten (soms ook aan zeezout) en vorst. Relevante aantastingsmechanismen zijn ASR, vorst- en vorstdooizoutschade, corrosie van wapening door carbonatatie en indringen van chloride. Chemische aantasting door zuren of zouten is voor bovengronds beton niet relevant. Alkali-silicareactie (ASR) is bekend van enkele honderden kunstwerken, waarvan slechts een klein aantal met serieuze consequenties (tot aan de noodzaak van versterking of vervanging toe). CUR-Aanbeveling 102 (‘Inspecteren en beoordelen van betonconstructies waarin ASR wordt vermoed of is vastgesteld’) geeft een handreiking hoe hiermee om te gaan. Echte vorstschade komt in Nederland nauwelijks voor; vorstdooizoutschade is oppervlakkig en heeft voor zover bekend niet tot consequenties op constructieniveau geleid. Carbonatatie van beton, belangrijk in oudere gebouwen met poreus beton en een lage dekking, is in de infrastructuur ook na vele decennia meestal beperkt tot enkele millimeters. Indringen van chloride is relevant voor vrijwel alle infra: het beton kan in contact komen met opgeloste chloride-ionen uit dooizout, hetzij rechtstreeks hetzij indirect via lekkage van asfalt of voegovergangen. Of dit daadwerkelijk gebeurt (en wanneer), hangt onder andere af van detaillering en (regulier) onderhoud van hemelwaterafvoeren. Er zijn aanwijzingen dat dit een met de ouderdom toenemend fenomeen is. Wapeningscorrosie door indringen van chloride is daarmee het belangrijkste degradatie-
De huidige praktijk
mechanisme voor de (rest)levensduur van betonnen infra.
Momenteel wordt het nodige onderzoek verricht naar de toestand van bestaande kunstwerken, met name betreffende het aspect restlevensduur. Opvallend is dat dit gebeurt zonder specifieke algemeen aanvaarde normering of aanbeveling en meestal op basis van de NEN 8700-serie. De huidige praktijk geeft aan dat het blijkbaar wel mogelijk is om in individuele gevallen tot een beoordeling te komen. Of dit in verschillende gevallen op dezelfde manier gebeurt, kun je je afvragen. Het
Bepaling restlevensduur urgent
gebrek aan een algemeen geaccepteerde en objectieve (i.e. persoonsonafhankelijke) aanpak, betekent dat partners bij langdurige onderhoudscontracten risico’s lopen die zij mogelijk niet overzien. De vraag is of uit het huidig, praktisch uitgevoerde onderzoek een collectieve methodiek kan
7 2 014
57
5 Brug over het Wilhelminakanaal foto: https://beeldbank.rws.nl, Rijkswaterstaat
5
worden geëxtraheerd, met als uiteindelijk doel het opstellen van een praktijkrichtlijn.
Status quo en preadvies In de afgelopen 25 jaar is veel kennis ontwikkeld met betrekking tot aantastingsmechanismen. Toch is het nog niet mogelijk een objectieve uitspraak te doen over de restlevensduur van betonnen constructies. Dit komt onder andere doordat a) niet voor alle aantastingsmechanismen modellen beschikbaar zijn, b) beschikbare modellen en hun parameters niet voldoende betrouwbaar zijn, en c) het effect van de interactie tussen mechanismen nog slecht bekend is. Gezien de complexiteit van de problematiek zal de ontwikkeling van een wetenschappelijk onderbouwde restlevensduurmethodiek geruime tijd duren, ook als hiervoor financiering beschikbaar is. Ook zijn er door de commissie activiteiten op de korte termijn voorzien, vanwege de noodzaak om op korte termijn een op zijn minst redelijk onderbouwde methodiek te hebben om de restlevensduur te kunnen bepalen die ook leidt tot een praktijkrichtlijn. Deze activiteiten zijn (globaal):
58
- Een inventarisatie van de huidige werkwijzen van de verschillende advies- en onderzoekbureaus om de restlevensduur te bepalen; - Het analyseren van deze informatie; - Inventarisatie van (internationale) aantastingsimulatiemodellen (in aanzet); - Een eerste, globale en niet-wetenschappelijke beoordeling van de modellen; en - Het opstellen van een praktijkrichtlijn. De SBRCURnet-commissie stelt vast dat een wetenschappelijke aanpak uiteindelijk het gewenste doel is, maar ook dat dit een langetermijnontwikkeling is. Deze ontwikkeling richt zich op twee paden: voorspelling op basis van aantastingsmodellen en voorspelling op basis van ervaringen met het kunstwerkenareaal (databasebenadering). Op de korte termijn is het voorstel te komen tot een algemeen aanvaarde methode gebaseerd op de huidige praktijk van ingenieurs- en adviesbureaus en onderzoeksinstellingen: een praktische beschouwing van de restlevensduur. De basis wordt gevormd door bekende eenvoudige aantastingsmodellen, gevalideerd met bestaand onderzoek aan
7 2 014
Bepaling restlevensduur urgent
constructies. Voorspellingen moeten worden gecontroleerd aan de hand van metingen aan het object, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen wel en niet kritische constructieonderdelen. Deze aanpak moet worden gezien als een voorlopige methode met beperkte betrouwbaarheid of nauwkeurigheid.
Eisen Opgemerkt wordt dat de voorschriften ten tijde van de bouw tot aan 1986 geen of nauwelijks aandacht besteedden aan duurzaamheid. Pas met de VBT 1986 werden milieuklassen gedefinieerd en in de VBC 1990 werden daarvan afgeleide eisen gesteld aan de betondekking. RWS-voorschriften eisten al wel eerder een
Workshop
relatief hoge betondekking. Een andere kwestie is de cement-
Het preadvies is besproken tijdens een op 17 juni gehouden workshop, waaraan werd deelgenomen door vertegenwoordigers vanuit overheid, adviesbureaus en aannemerij. In de workshop werd de urgentie van het onderwerp bevestigd door de deelnemers en werd de voorgestelde aanpak met een korte en lange termijn gesteund. De urgentie is hoog omdat het erop lijkt dat beheerders en eigenaren nu onvoldoende rekeninghouden met een toekomstige golf aan grootschalig onderhoud en/of vervanging van kunstwerken. Op korte termijn blijkt er vooral behoefte aan een richtlijn om tot een eenduidige werkwijze te komen. Hieraan kunnen bijdragen een standaard voor het vastleggen van informatie in de vorm van onder andere een opleverdossier, en een eenvoudig praktijkgericht rekenmodel voor de initiatie van corrosie. Voor de lange termijn wordt veel verwacht van de ontwikkeling van modellen.
soort. Tegenwoordig eist Rijkswaterstaat hoogovencement of cement met vliegas, onder andere vanwege de betere weerstand tegen chloridepenetratie dan portlandcement heeft. Pas in de VB 1962 wordt hoogovencement beter geacht in een agressief milieu. Of dit snel tot grootschalig gebruik van hoogovencement heeft geleid, is maar zeer de vraag.
twintig jaar meegaat – dan is het antwoord veel makkelijker te geven. Het blijkt dat de vereiste nauwkeurigheid van het antwoord sterk afhangt van de onderliggende vraag en dat soms een indicatie voldoende kan zijn.
Conclusie Eén van de belangrijkste conclusies is dat moet worden onderzocht waarvoor de uitkomst van de restlevensduur precies gaat worden gebruikt. De nagestreefde nauwkeurigheid voor de restlevensduur moet passen bij het vraagstuk waarvoor het gaat worden gebruikt. Momenteel wordt bijvoorbeeld vaak de vraag gesteld wat de restlevensduur is, waarop vervolgens geen bevredigend antwoord kan worden gegeven. Als de vraag anders wordt gesteld – bijvoorbeeld of de constructie nog tien of
Geconcludeerd wordt dat in de afgelopen decennia geen objectieve methode is ontwikkeld waarmee de restlevensduur van betonconstructies kan worden bepaald. De urgentie wordt als hoog gezien. Voor de korte termijn zal moeten worden gezocht naar een praktische aanpak die resulteert in een SBRCURnetpraktijkrichtlijn. Op de lange termijn wordt veel verwacht van een modelmatige aanpak. Dit zal echter nog het nodige (internationaal) onderzoek vergen voordat het in de praktijk toepasbaar zal zijn. ☒
Kwantiteit
● LITERATUUR
Rijkswaterstaat beheert circa 4800 betonnen kunstwerken, voor-
1 Smit, D.R., e.a., Levensduur van Betonnen Bruggen, juli 1989.
namelijk bruggen en viaducten. Een groot deel is gebouwd
2 Horst, A. van der, e.a., Levensduur van betonnen kunstwerken, Stuvo-rapport 107, augustus 1998.
tussen 1960 en 1980, een kleinere bouwgolf dateert van de jaren ‘30 (fig. 2).
3 Walraven, J.C., e.a., Ontwerpen op levensduur, CUR PAC21, oktober 2005.
Volgens onderzoek van TU Delft-promovenus Gaal [6] vertoont 5% van de bruggen en viaducten na veertig jaar betonschade
4 DuraCrete R17, 2000, DuraCrete Final Technical Report, document
door chloridegeïnduceerde wapeningscorrosie die aanleiding
BE95-1347/R17, mei 2000, The European Union – Brite EuRam III,
zou zijn tot reparatie. 50% heeft dergelijke schade na zeventig
DuraCrete – Probabilistic Performance based Durability Design of
jaar (fig. 3). In heel Nederland staan ongeveer 40 000 betonnen
Concrete Structures, includes General Guidelines for Durability Design and Redesign, document BE95-1347/R15, CUR, februari 2000 .
bruggen en viaducten, waarvan het merendeel in beheer is bij lagere overheden. Een toenemend aantal is in beheer bij markt-
5 CUR 215, Duurzaamheid mariene betonconstructies, CUR, 2005.
partijen via DBFM-contracten. Er bestaat geen overzicht van
6 Gaal, G.C.M., Prediction of Deterioration of Concrete Bridges, TU Delft, 2004.
aantallen gerepareerde constructies; de indruk is dat dit er ettelijke honderden zijn.
7 Groeneweg, T.W., Restlevensduur van bestaande betonconstructies, SBRCURnet 1958, juli 2014 .
Bepaling restlevensduur urgent
7 2 014
59
