Betonconstructies retrofitten en versterken voor een duurzame toekomst

In een wereld die steeds meer gericht is op duurzaamheid, is de roep om hergebruik en aanpassing van onze gebouwde omgeving nog nooit zo luid geweest. Hoewel afbreken en opnieuw bouwen kan lijken op een schone lei, is er een overtuigende en vaak ondergewaardeerde reden om bestaande betonnen constructies achteraf aan te passen. Het is niet alleen een technische uitdaging, het is een slimme gok op kosten, erfgoed en de planeet.

Preventie boven instorting

Overal ter wereld wordt deze behoefte urgent. Verouderde bruggen en gebouwen, vaak ontworpen volgens verouderde normen en ver voorbij hun oorspronkelijke levensduur, moeten nu opnieuw beoordeeld worden. In Europa, Noord-Amerika en de Aziatisch-Pacifische regio zijn tienduizenden constructies al geclassificeerd als in slechte of gebrekkige staat, en nog veel meer wachten op gedetailleerd onderzoek. En recente instortingen zoals die van de Morandi-brug in Genua of de gedeeltelijke instorting in Dresden herinneren ons eraan wat er gebeurt als versterking te laat komt. Internationale codes zoals ISO 13822, AASHTO's Bridge Evaluation Manual en opkomende Eurocode-richtlijnen zorgen voor een verschuiving: evalueer eerst, versterk wat belangrijk is en verleng de levensduur van de constructies waar we elke dag op vertrouwen.

Gedeeltelijke instorting Carola/Elbe-brug (Dresden, 11 sep 2024) en Ponte Morandi (Genua, Italië, 14 aug 2018)

Maar het hoeft niet altijd om grote constructies te gaan, soms kan een klein detail al veel betekenen en grote problemen voorkomen.

Zie bijvoorbeeld een korte uitkraging gemodelleerd in IDEA StatiCa Detail met behulp van de bestaande wapeningsparameters, maar beoordeeld voor nieuwe belastingen volgens de huidige normen. In de eerste afbeelding zie je de wapeningslay-out, het gebruik en de spanning in de staven. De constructie faalt, waarbij de capaciteit wordt beperkt door te hoge trekspanningen die de bestaande wapening niet kan opnemen.

De volgende afbeelding toont de versterkte versie, nu met ongebonden staven. Dit elimineert trekspanningen in de wapening bijna volledig en draagt veilig de uiterste grenstoestandsbelasting, wat aantoont hoe gerichte aanpassingen de prestaties drastisch kunnen verbeteren, zelfs in een schijnbaar onbelangrijk element.

We zullen later ingaan op IDEA StatiCa Detail en de mogelijkheden die het biedt voor versterking, maar laten we ons nu richten op de vraag die dit voorbeeld oproept...

Oud beton, nieuwe regels

Betonconstructies die tientallen jaren geleden werden gebouwd, werden ontworpen volgens heel andere normen. Materiaaleigenschappen werden aangenomen in plaats van gemeten. Wapening was vaak glad in plaats van geribbeld. Verankeringslengtes waren korter. De detaillering in D-gebieden was eenvoudiger, soms te eenvoudig. Scheuren kunnen zich geleidelijk hebben ontwikkeld in de loop der jaren, maar nu moeten ze worden meegenomen in een nieuwe belastingsrealiteit.

Gladde staven - afbeelding uit Experimenteel gedrag van verankerde gladde staven in gebouwen van gewapend beton van het oude type, door Giovanni Fabbrocino, Gerardo M. Verderame, Gaetano Manfredi

Al deze onzekerheden stapelen zich op. Ingenieurs ontdekken vaak dat het bestaande materiaal simpelweg niet voldoet aan de aannames die vereist zijn door de hedendaagse codes. Vooral wanneer de verificatie voornamelijk gebaseerd is op het volgen van empirische patronen die door middel van tests en ervaring zijn vastgesteld, maar onder compleet andere omstandigheden! De standaard lineaire analyse verliest aan relevantie. En de vraag wordt plotseling: Wat is de werkelijke capaciteit van dit bestaande constructiedeel vandaag, en niet tientallen jaren geleden?

Retrofitting vs. herbouw

Bij het vergelijken van het versterken van een bestaande constructie met het bouwen van een nieuwe, neigen de antwoorden steeds meer naar retrofit, zowel financieel als ecologisch. Het is grappig hoe mensen zich vooral richten op vervangbaarheid in de context van nieuwe materialen. Dat is misschien leuk, maar alleen zolang we op een greenfield site bouwen en niet te maken krijgen met sloop. Eerlijk gezegd is hergebruik soms de meest milieuvriendelijke aanpak.

Sloop en nieuwbouw creëren grote hoeveelheden afval, vernietigen de koolstof die al in het bouwwerk is geïnvesteerd en vereisen de productie van nieuw beton en staal. Retrofitting daarentegen behoudt wat er al is en vermindert de koolstofuitstoot aanzienlijk.

Vanuit kostenoogpunt kan versterking vaak sneller en goedkoper worden uitgevoerd dan herbouw. Bestaande funderingen blijven. Structurele frames blijven. De verstoring is minder. In veel gevallen zorgt een goed ontworpen retrofit niet alleen voor naleving van moderne normen, maar zelfs voor betere prestaties en een langere levensduur.

Brugversteviging - afbeelding uit Bridge Engineering - Selected Issues, door Tomasz Siwowski

IDEA StatiCa Detail

In plaats van te vertrouwen op conservatieve aannames of overgesimplificeerde modellen, helpt de Compatible Stress Fields Method ingenieurs realistisch te simuleren hoe spanning zich herverdeelt.

De Compatible Stress Fields Method (CSFM) is een uitbreiding van de Strut-and-Tie (S&T) en Stress Fields Methods. Het is een moderne niet-lineaire methode voor de analyse van D-gebieden en elementen waarvan het gedrag kan worden vereenvoudigd tot vlakke spanning, d.w.z. een 2D-model. Zie het volgende artikel om de basis te begrijpen: CSFM uitgelegd

Door IDEA StatiCa Detail te gebruiken, kunnen ingenieurs elke geometrie modelleren en analyseren, ongeacht de complexiteit, en resultaten verkrijgen zoals spannings- en rekvelden, scheurwijdten en belastingspaden. Deze tool ondersteunt zowel ACI- als EN-normen, waardoor het veelzijdig is voor verschillende projecten.

Recente verbeteringen in IDEA StatiCa Detail maken retrofitten veel nauwkeuriger en effectiever. Twee bijzonder relevante functies zijn:

1. Ongebonden staven: In tegenstelling tot traditionele gelijmde versterking, zijn ongebonden staven niet afhankelijk van de aanhechting met het beton over hun lengte.

• Dit is vooral nuttig voor het versterken van D-gebieden: verticale tuien in consoles of afgedekte uiteinden kunnen bijvoorbeeld scheuren dichten, spanningen herverdelen en versterken zonder verlijming.

• Bij het retrofitten van zeer oud beton (dat al gedeeltelijk kruipt) moet de kruipcoëfficiënt voor de voorspanning lager worden ingesteld om overschatting van effecten te voorkomen. IDEA StatiCa houdt rekening met deze nuance.

2. Gladde wapeningsstaven: IDEA StatiCa Detail ondersteunt ook gladde wapeningsstaven in ontwerp en analyse.

• Dergelijke staven kunnen meer lijken op oudere wapening of zorgen voor eenvoudigere verankeringsdetails.
• Het combineren van gladde staven met unbonded tendons kan de versterking van verouderde prefab balken, geribde platen of D-gebieden efficiënter, nauwkeuriger en economischer maken.

3. Verankering van staalconstructie in beton: Tijdens retrofit- of versterkingsprojecten is het heel gebruikelijk om materialen te combineren door nieuwe staalconstructies te verankeren in bestaand gewapend beton. Met IDEA StatiCa Detail (3D-module) kunnen deze verbindingen worden gemodelleerd met behulp van realistisch materiaalgedrag, waarbij de niet-lineaire belastingoverdracht tussen staal en beton wordt vastgelegd.

Respect voor het verleden

Retrofitting is niet alleen een technisch vraagstuk, het is ook een daad van verantwoordelijkheid. Veel van de betonnen constructies die er nu nog staan, zijn meer dan alleen bouwstenen; ze hebben historische, sociale en culturele waarde. Door ze te versterken behouden we hun verhaal, verlengen we hun functionele levensduur en verbinden we duurzaamheid met erfgoed. Uiteindelijk gaat retrofitting niet alleen over repareren; het gaat om het transformeren van wat al bestaat in iets dat de samenleving nog tientallen jaren van dienst kan zijn.

Voorbeeld van de beoordeling en aanpassing van een bestaand gebouw - afbeelding uit New European Technical Rules for the Assessment and Retrofitting of Existing Structures, door P. Luechinger, J. Fischer, Christis Z Chrysostomou, Peter Tanner.

Velen van u kennen de voordelen, maar geven toch de voorkeur aan slopen en nieuw ontwerpen, en wij weten waarom. Een dergelijke taak is erg moeilijk te begrijpen, of het nu komt door slechte documentatie, onnauwkeurige methoden of de effecten van de tijd op de constructie. Engineeringwerk is vaak uniek en vereist een diepgaand begrip van de kwestie met slechts enkele voorbeelden waarop je kunt vertrouwen, en dat is waar CSFM, (beschikbaar in IDEA StatiCa Detail) helpt.

Conclusie

Het retrofitten en versterken van bestaande betonconstructies is niet slechts een op één na beste optie, het is een toekomstgerichte keuze. Met de juiste hulpmiddelen en analyses kunnen ingenieurs de technische uitdagingen van oude wapening, gescheurde gebieden en onzeker materiaalgedrag overwinnen. Ondertussen profiteren de anderen van een verminderde milieubelasting en het behoud van erfgoed. Wat de bespaarde kosten betreft... die laat ik aan uw verbeelding over.