Containerterreinen, de (on)mogelijkheden van dimensioneringsmodellen
Ir. W.F. Stas Grontmij R. Gravesteijn Grontmij
Samenvatting In deze bijdrage wordt ingegaan op de (on)mogelijkheden van dimensioneringsmodellen voor verhardingen voor containerterreinen. Na een kort overzicht van belastingen welke voorkomen op dergelijke terreinen wordt per verhardingstype (asfalt, beton en betonstenen) de verschillende beschikbare dimensioneringsmodellen behandeld. Hierbij ligt de nadruk op de uitgangspunten, de beperkingen en de toepasbaarheid van elk dimensioneringsmodel. Trefwoorden Dimensionering; bedrijfsverhardingen, gebonden funderingen
Inhoudsopgave
1. 2.
Inleiding ...................................................................................................................................3 Belastingen op containerterreinen............................................................................................3 2.1 Mobiele belastingen .........................................................................................................3 2.2 Statische belastingen ........................................................................................................4 3. Dimensioneringsmodellen asfaltverhardingen.........................................................................4 4. Dimensioneringsmodellen betonverhardingen.........................................................................6 5. Dimensioneringsmodellen betonstraatsteenverhardingen........................................................6 5.1 BESCON 1.0 ...................................................................................................................6 5.2 Buitenlandse ontwerpmethoden………………………………………………………...7 6. Tot slot......................................................................................................................................8 Literatuurlijst............................................................................................................................9
2
1.
Inleiding
In zijn Bedrijfslocatiemonitor raamt het CPB (Centaal Plan Bureau) de landelijke vraag naar bedrijventerreinen tot 2020 tussen de 7000 en 25000 hectare. Groenvoorzieningen, wegen en parkeerplaatsen zijn in deze cijfers meegeteld. Voor ontwikkelaars en bouwers ligt de komende jaren volop werk in het verschiet. Ook ten aanzien van containerterminals is de laatste jaren een duidelijke groei in aantal en omvang zichtbaar. Momenteel wordt gebouwd aan de Euromax Terminal op de Maasvlakte te Rotterdam. De eerste fase, die nu gerealiseerd wordt, beslaat een oppervlakte van bijna 80 ha. Ook de ECT Terminal in Rotterdam wordt momenteel uitgebreid met fase 4 en 5. Bij deze projecten is de opdrachtnemer verantwoordelijk voor het ontwerp, bouw en onderhoud van de containerterreinen (volgens het principe Design, Construct and Maintenance). Reden om in deze bijdrage in te gaan op de (on)mogelijkheden van dimensioneringsmodellen voor verhardingen voor containerterreinen.
2.
Belastingen
Bij het ontwerp van bedrijfsverhardingen moeten de belastingen bekend zijn. De belastingsgegevens kunnen worden ontleend aan het programma van eisen, dat door de opdrachtgever is opgesteld, bij voorkeur in overleg met de adviseurs voor de te gebruiken transport- en opslagsystemen. Belastingen op containerterreinen kunnen worden verdeeld in 2 hoofdgroepen: • mobiele belastingen van korte duur, veroorzaakt door voertuigen voor het transport en overslag van containers. • statische belastingen van lange duur, veroorzaakt door stilstaande voertuigen en opgeslagen containers. 2.1.
Mobiele belastingen
Behalve vrachtauto’s komen op containerterreinen ook speciale voertuigen voor die niet zijn toegelaten op de openbare weg. Dergelijke voertuigen wijken nogal af van vrachtauto’s in as- en wielconfiguratie, as- en wiellasten en toegepaste bandenspanningen. Enkele voorbeelden zijn (1,2): • zware heftrucks (4-wiels vooras) voor het horizontaal en verticaal verplaatsen van containers. Het hefvermogen van dergelijke heftrucks loopt uiteen van circa 50 tot 500 kN (5 – 50 ton). Bij een beladen heftruck wordt de vooras belast door circa 90 % van het gewicht van de heftruck en de lading. De maximale wiellast kan ca. 250 kN bedragen. Zware heftrucks hebben volrubber-banden of luchtbanden (bandenspanning variërend tussen de 0,7 en 1,1 N/mm2). Voor de dimensionering van verhardingen is het belangrijk dat de wielconfiguratie van de vooras bekend is.
3
•
Multi-trailers voor het transport van containers naar de opslagvakken (3). Multi-trailers bestaan uit een trekker (2 assen, aslasten tot 80 kN) en een aantal trailers (2 assen, aslasten tot 250 kN). Op sommige terreingedeelten, zoals verbindingswegen, kunnen deze voertuigen zeer sterk sporend rijden. • Straddle carriers voor het stapelen van containers. Deze voertuigen bestaan uit 8 tot 10 onafhankelijke wielen, met wiellasten tot circa 170 kN (bandenspanning 1 N/mm2). De straddle carrier beweegt zich in de gangpaden tussen de gestapelde containers. Waar de containers in blokken of rijen worden geplaatst, moet er rekening worden gehouden dat de straddle carriers sterk sporend rijden. Dit geldt ook bij laad- en losplaatsen voor vrachtauto’s. • AGV’s (Automatic Guided Vehicles) voor het transport van containers. Deze automatisch bestuurde en onbemande voertuigen rijden sterk sporend in vaste banen over de terminal. De maximale wiellast bedraagt 120 kN (bandenspanning variërend tussen de 0,8 en 1,0 N/mm2). Naast standaard AGV’s die één container per rit vervoeren, bestaan er ook zogenaamde twin-carry AGV’s die twee containers tegelijk kunnen vervoeren. • Overige voertuigen (afhankelijk van het opslagsysteem) zoals stapelaars, reach-stackers, mobiele kranen e.d. Bij de dimensionering van verhardingen vormen het bepalen van de belastingsfrequentie en het al of niet versporend rijden van de voertuigen veelal een probleem.
2.2
Statische belastingen •
•
3.
Opgeslagen containers. Op containerterreinen worden puntlasten veroorzaakt door opgeslagen containers. De grootste containers (40-ft) met een gewicht tot circa 300 kN, kunnen vier puntlasten van 75 kN en contactdrukken van maximaal 2,6 N/mm2 veroorzaken. Als de containers 2-, 3-, 4- en 5-hoog op elkaar gestapeld zijn zou de maximale puntlast theoretisch 150, 225, 300 en 375 kN kunnen worden. Aangezien alle containers nooit het maximale gewicht bezitten wordt in de praktijk een reductiefactor toegepast. Hierdoor wordt de maximale puntlast bij bijvoorbeeld 5-hoog stapeling 225 kN (contactdruk 7,8 N/mm2). Stilstaande vrachtauto’s en andere transportmiddelen. De hierbij mogelijke as- en wiellasten en contactdrukken zijn zoals bij de overeenkomstige mobiele belastingen (zie 2.1).
Dimensioneringsmodellen asfaltverhardingen
Op containerterreinen komen veelal voertuigen voor die qua as- en wielconfiguratie en as- en wiellasten sterk afwijken van vrachtauto’s. Voor de dimensionering van een asfaltverharding voor een containerterrein heeft dit tot gevolg dat rekenmodellen die uitgaan van verkeersbelastingen in de vorm van vrachtauto’s niet toepasbaar zijn. Dit geldt voor gangbare dimensioneringsmodellen zoals ASCON (RWS-DWW) en KMW (Keuze Model Wegen,
4
CROW). De adviseur zal derhalve zijn toevlucht moeten zoeken in berekeningen met een lineairelastisch meerlagenprogramma zoals BISAR, CIRCLY, ELSYM o.i.d. Containerterminals zijn in Nederland vaak gesitueerd in gebieden met samendrukbare en weinig draagkrachtige grondslag. De combinatie van deze grondslag en de hoge optredende wiellasten heeft tot gevolg dat voor een containerterrein een asfaltverharding met een cementgebonden fundering (AGRAC of zandcement) economisch gezien vaak het meest aantrekkelijk is. Bij dergelijke funderingen spelen andere bezwijkmechanismen een rol als bij ongebonden of zelfbindende funderingen, met name op het gebied van de scheurvorming. De dimensionering van een asfaltverharding met toepassing van een cementgebonden fundering vindt plaats aan de hand van de volgende ontwerpcriteria: • de horizontale rek aan de onderzijde van de fundering onder herhaalde belasting (ontstaan van vermoeiingsscheuren in de fundering). • de horizontale rek aan de onderzijde van de fundering onder de zwaarst optredende aslast (plotselinge breuk van de fundering). • de verticale spanning aan de bovenzijde van de fundering onder hoge drukspanningen (verbrijzeling fundering). Dit ontwerpcriterium is in Zuid-Afrika ontwikkeld voor de dimensionering van verhardingen bestaande uit zeer dunne asfaltlagen gelegen op een cementgebonden fundering. De vraag kan worden gesteld of dit ontwerpcriterium toepasbaar is bij relatief dikke asfaltconstructies (> 150 mm). Voor het dimensioneren van de asfaltverharding zal van het funderingsmateriaal de volgende mechanische eigenschappen bekend moeten zijn: • weerstand tegen vermoeiing • breukrek • druksterkte • stijfheidsmodulus De berekeningen kunnen worden uitgevoerd met een lineair-elastisch meerlagenprogramma of het programma BOUND BASE 1.0. Dit programma berekent spanningen en rekken (ten gevolge van opgegeven belastingen in de vorm van aslast- en bandenspectrum) en bepaalt de schade als Miner-som alsmede de eenmalige breuklast. Het ontwerp bestaat uit het aanpassen van de dikte van de fundering en/of asfaltconstructie tot aan de ontwerpcriteria wordt voldaan. Om reflectiescheuren te voorkomen is een minimale asfaltdikte vereist. Deze kan worden bepaald met behulp van complexe eindige elementenberekeningen, in de praktijk wordt echter de vereiste asfaltdikte gehanteerd conform de Handleiding Wegenbouw – Ontwerp Verhardingen (4). Het ontstaan van spoorvorming wordt voorkomen door toepassing van stabiele asfaltmengsels in de asfaltconstructie. De keuze voor bepaalde asfaltmengsels vindt veelal plaats op basis van kennis en ervaring. De gevoeligheid voor viskeuze spoorvorming kan worden bepaald met behulp van het programma VEROAD, in de praktijk ontbreken echter vaak de hiervoor benodigde invoerparameters (per asfaltlaag de viscositeitsparameter, afgeleid uit de helling van de kruipcurve bepaald met de cyclische triaxiaalproef).
5
De optredende contactspanningen aan het oppervlak van de verharding bepalen veelal het type deklaag dat wordt toegepast. Bij containerterreinen leidt dit vaak tot de toepassing van een combinatiedeklaag of een dicht asfaltbeton voorzien van polymeer-gemodificeerde bitumen. Bij hoge contactspanningen dient de stabiliteit van de tussenlaag verhoogd te worden, hetgeen eveneens kan worden bereikt door toepassing van polymeer-gemodificeerde bitumen.
4.
Dimensioneringsmodellen betonverhardingen
In Nederland worden betonverhardingen voor bedrijfsterreinen veelal gedimensioneerd met behulp van het programma FLOOR 2.0 (ontwikkeld door VNC). FLOOR 2.0 is een programma waarmee controleberekeningen worden uitgevoerd. Controle van de betonverharding vindt plaats op sterkte, plaatstijfheid en scheurwijdte (conform VBC en CUR-aanbeveling 36). De berekening van de krachtsverdeling geschiedt op basis van de theorie van Westergaard in het plaatmidden, plaatrand en plaathoek. Als fundering kan een zelfbindende of cementgebonden fundering worden toegepast. FLOOR 2.0 biedt de mogelijkheid om ongewapende, gewapende (staven, vezels) en voorgespannen betonverhardingen voor containerterreinen te dimensioneren. Het programma is echter niet geschikt voor de dimensionering van verhardingen bestaande uit Stelconplaten. Stelconplaten worden op containerterreinen echter zelden toegepast vanwege de maximmal toelaatbare aslast van 200 kN. Naast statische (puntlasten, strook- of lijnbelastingen) en mobiele belastingen (vrachtwagens, vorkheftrucks) wordt ook rekening gehouden met het optreden van krimp, kruip en zettingsverschillen. Geconcentreerde belastingen kunnen op een willekeurige plaats op de plaat worden gezet, waarbij de respons wordt berekend in het plaatmidden en de plaatrand. De uitvoer van het programma bestaat niet alleen uit een overzicht van de uitgevoerde controle van de ingevoerde verhardingsconstructie, maar omvat ook detailleringen (voegen, deuvels en aansluitingen). FLOOR 2.0 is zeer grafisch georiënteerd en bijzonder gebruikersvriendelijk. Belastingsgevallen en –combinaties worden duidelijk in beeld gebracht. Kwalitatief steekt FLOOR 2.0 met kop en schouders uit boven de beschikbare dimensioneringsmodellen voor verhardingen bestaande uit asfalt of betonstraatstenen.
5.
Dimensioneringsmodellen betonstraatsteenverhardingen
5.1
BESCON 1.0
Voor de dimensionering van betonstraatsteenverhardingen is in Nederland sinds kort het programma BESCON 1.0 beschikbaar. Dit programma is ontwikkeld door de Technische Universiteit Delft op basis van meer dan 20 jaar onderzoek aan betonstraatsteenverhardingen, ongebonden funderingsmaterialen en zanden.
6
BESCON 1.0 is gebaseerd op een combinatie van waargenomen constructiegedrag en mechanistische berekeningen. Het programma bepaald het spoordiepteverloop als functie van het aantal gepasseerde aslasten. Centraal hierbij staat het vervormingsgedrag van zanden en funderingsmaterialen van gebroken puin. Het programma is alleen te gebruiken voor de dimensionering van betonstraatsteenverhardingen zonder (cement)gebonden fundering en belast door normaal wegverkeer.De afwijkende verkeersbelastingen en de toepassing van een cementgebonden fundering zorgen ervoor dat het programma BESCON 1.0 niet kan worden toegepast bij de dimensionering van betonstraatsteenverhardingen voor containerterreinen.
5.2
Buitenlandse ontwerpmethoden
In het buitenland zijn verschillende ontwerpmethoden ontwikkeld voor betonstraatsteenverhardingen voor containerterreinen (5). Deze ontwerpmethoden zijn te verdelen in twee categorieën: • empirische ontwerpmethode • analytische ontwerpmethode De empirische ontwerpmethoden, in de vorm van ontwerplijnen of standaardconstructies, zijn gebaseerd op uitgangspunten (met betrekking tot type funderingsmateriaal en draagkracht ondergrond) waaraan in Nederland veelal niet kan worden voldaan. Toepassing van dergelijke ontwerpmethoden wordt derhalve afgeraden. De twee belangrijkste analytische ontwerpmethoden zijn de ontwerpmethode van de University of New South Wales en de ontwerpmethode van de British Port Association (BPA) (5). Beide dimensioneringsmodellen zijn gebaseerd op lineair-elastische meerlagenberekeningen. Betonstraatstenen en straatlaag worden als één laag gezien (de toplaag), gekarakteriseerd door een elasticiteitsmodulus en dwarscontractiecoëfficiënt. Ontwerpcriteria bij deze ontwerpmethoden zijn: • de horizontale rek onderin de cementgebonden fundering • de verticale rek (stuik) bovenin de ondergrond Beide ontwerpmethoden maken gebruik van een vaste waarde voor de elasticiteitsmodulus van de toplaag. Ook worden specifieke vermoeiingsrelaties voor fundering en ondergrond toegepast. De ontwerpmethode van de BPA is de meest uitgebreide ontwerpmethode en houdt rekening met: • voertuigtype, als standaardaslast wordt de PAWL (Port Area Wheel Load) gehanteerd. Een PAWL is gedefinieerd als een wiellast van 120 kN met een bandenspanning van 0,8 N/mm2. Met een eenvoudige formule wordt voor elk voertuigtype per voertuigpassage de schadebijdrage bepaald, uitgedrukt in PAWL’s. Op basis van het aantal PAWL’s kan de LCI-waarde (Load Classification Index) worden vastgesteld. Daarmee kan met behulp van een ontwerpgrafiek de opbouw van de verhardingsconstructie worden bepaald. • dynamische belastingsfactoren, het effect van afremmen en optrekken van voertuigen en onvlakheid van de verharding wordt uitgedrukt in een belastingsfactor. • versporing, de positieve invloed van versporend rijdend verkeer wordt verdisconteerd in de levensduur van de verharding.
7
•
statische belastingen, via een eenvoudige formule worden statische belastingen uitgedrukt in PAWL’s.
In de praktijk blijkt dat beide analytische ontwerpmethoden voor Nederlandse omstandigheden goed toepasbaar zijn. Alleen bij extreme belastingen (bijvoorbeeld ECT Terminal, Rotterdam) worden weinig realistische resultaten gevonden (dikte cementgebonden fundering > 1,0 m). Geadviseerd wordt om bij de dimensionering van betonstraatsteenverhardingen voor containerterreinen beide ontwerpmethoden naast elkaar toe te passen. Voor betonstraatsteenverhardingen op containerterreinen gelden de volgende aandachtspunten: • dikte betonstraatstenen: minimaal 80 mm. Alleen bij extreme verkeersbelastingen (remmen, optrekken en wringen) kan de toepassing van stenen met een dikte van 100 of 120 mm worden overwogen. • alleen keper- of elleboogverband toepassen. • voor de straatlaag bij voorkeur brekerzand toepassen, bij extreme verkeersbelastingen kan een nog grover materiaal (fijne steenslag, split 0/8) in aanmerking komen. De straatlaag mag na verdichting niet dikker zijn dan 50 mm. • de voegen tussen de stenen goed vullen en goed gevuld houden, in principe met hetzelfde materiaal als dat voor de straatlaag. • de waterdoorlatendheid van een (cement)gebonden fundering is vaak onvoldoende. Om ingedrongen hemelwater af te voeren moeten speciale voorzieningen worden getroffen, bijvoorbeeld gaten geboord door de fundering gevuld met grof zand of fijn split (grofweg 1 gat per 1000 m2). • bij hoge statische belastingen (bijvoorbeeld gestapelde containers) kan de bovenkant van een gebonden fundering verbrijzelen. In de praktijk wordt dan een gemodificeerde zandcementstabilisatie toegepast. Hierbij wordt aan de stabilisatie grof toeslagmateriaal (50 % m/m betongranulaat 0/20) toegevoegd.
6.
Tot slot
Met deze bijdrage is getracht een beeld te vormen van beschikbare dimensioneringsmodellen voor verhardingen voor containerterminals. Het aantal en de kwaliteit van de toepasbare dimensioneringsmodellen varieert per verhardingstype. In het algemeen kan worden gesteld dat bij de dimensionering van verhardingen voor containerterreinen naast het gereedschap (het rekenmodel) de kennis en ervaring van de adviseur een belangrijke factor is. Dit speelt zeker een rol bij de keuze van het toe te passen dimensioneringsmodel, de bepaling van de benodigde invoerparameters en de evaluatie van de ontworpen verhardingsconstructie.
8
Literatuurlijst (1) Bedrijfsverhardingen en bedrijfsvloeren van beton, VNC, ’s-Hertogenbosch, najaar 1991 (2) Betonnen bedrijfsvloeren en bedrijfsverhardingen, VNC, ’s-Hertogenbosch, oktober 1998 (3) Bedrijfsverhardingen uitgave nr. 17, VBW-Asfalt, Breukelen, juli 1993 (4) Handleiding Wegenbouw – Ontwerp Verhardingen, RWS-DWW, Delft, december 1998 (5) Elementenverhardingen Verkeersbouwkundige studie, ir. L.J.M. Houben, Technische Universiteit Delft, mei 1992
9
