Wanneer hebben bouwkundig ingenieurs een 100-jarig ontwerp nodig?

Wanneer hebben bouwkundig ingenieurs een ontwerplevensduur van 100 jaar nodig? Welke soorten projecten en toepassingen zijn het meest relevant voor een levensduur van 100 jaar? Dit artikel geeft u het antwoord op deze vraag voor achteraf geïnstalleerde verankeringen (stalen voetplaat op beton) en achteraf geïnstalleerde wapening (beton op beton) toepassingen.

Regelgeving

Tabel 2.1 van EN 1990 [1] behandelt specifiek bepaalde levensduurbepalingen voor elk type constructie door ze in specifieke categorieën op te delen. Figuur 1 toont hoe EN 1990 omgaat met de levensduur van 100 jaar voor civiele constructies zoals monumentale gebouwen, bruggen en andere civiele constructies in categorie 5:

Figuur 1 - Levensduurcategorieën NL 1990

In het Europese beoordelingsdocumenten (b.v. EAD, ETA) voor bouwmaterialen wordt een levensduur van 100 jaar gehanteerd.
Er zijn nationale bijlagen of lokale voorschriften die de EN 1990-levensduurcategorieën ondersteunen, zoals BS EN 1990:2005 [2] in Groot-Brittannië, CYS EN 1990:2002 [3] in Cyprus, NTC 2018 [4] in Italië, enz. Sommigen gaan zelfs verder dan deze verklaring en vragen een levensduur van 120 jaar.

Figuur 2 - Voorbeelden van nationale bijlagen en lokale normen met betrekking tot een levensduur van meer dan 50 jaar.

Projecten en toepassingen

Tabel 2.1 van de norm EN 1990 heeft specifiek betrekking op civiele en infrastructuurprojecten voor een levensduur van 100 jaar. Tunnels, bruggen, autosnelwegen en spoorwegen zijn de meest relevante doelgroepen voor verankerings- en wapeningstoepassingen in deze categorie.

Figuur 3 - Civiele structuren die onder categorie 5 kunnen vallen

Met EN 1990 kunnen eigenaars van massieve constructies of mijnbouwprojecten een ontwerp van meer dan 50 jaar eisen om financiële duurzaamheid en structurele veiligheid te waarborgen.

De meest voorkomende toepassingen voor de civiele structuur zijn:

• Verankering na installatie: MEP en bovenleidinginstallatie, akoestische en aanrijdingsbarrières
• Achtergeïnstalleerde wapening: korbeel, afschuiving en oppervlaktebekleding.

Figuur 4 - Potentiële toepassingen op civiele structuren

De trend naar een levensduur van 100 jaar wordt met de dag sterker, maar in hoeverre wordt in de voorschriften en regelgeving aandacht besteed aan ankers? Het volgende hoofdstuk behandelt het testen, beoordelen en ontwerpen van gelijmde ankers in de context van het Europees beoordelingsdocument.

Hoe kunnen de prestaties van gelijmde ankers gedurende 100 jaar worden beoordeeld? Testen, evalueren en ontwerpen van gelijmde ankers in het kader van het Europees beoordelingsdocument.
 

In Eurocode EN 1990 [5] wordt voor "levensduurcategorie 5", waartoe bruggen, gebouwen en andere civiele constructies behoren, een levensduur van 100 jaar vereist. Hilti biedt de volgende Europese technische beoordelingen (ETA's) met een 100-jaar beoordeling volgens Europees beoordelingsdocument (EAD) 330499-01 [6] en 330087-01:
           ETA-16/0143 voor RE 500 V3 met gelijmde ankers.
           ETA-16/0142 voor RE 500 V3 met achteraf geïnstalleerd anker.

In de EAD's 330499-01 en 330087-01 wordt het testen en evalueren van gelijmde ankerproducten voor een levensduur van respectievelijk 50 en 100 jaar voorgeschreven voor respectievelijk gelijmde ankers en achteraf aangebrachte versterkingen.
 

Hoe werken de EAD-normen 330499 en 330087 voor het leven?

EAD 330499-01 [7] (voorheen ETAG 001 deel 5 [8]) en EAD 330087-01 [9] schrijven proeven en evaluatie voor om de duurzaamheid, het cyclisch en tijdelijk gedrag van gelijmde ankers en achteraf aangebrachte wapening te analyseren. Deze EAD-tests hebben betrekking op duurzaamheid onder chemisch agressieve omstandigheden, vriezen en dooien, het openen en sluiten van scheuren rond de ankers en aanhoudende belastingen. Over deze proeven kunnen de volgende opmerkingen worden gemaakt:

• Duurzaamheidstests tegen chemisch agressieve omstandigheden: Bij deze tests worden kleine "schijfjes" van in beton geïnstalleerde gelijmde ankers ondergedompeld in chemisch agressieve alkalische en zwavelhoudende omstandigheden gedurende ten minste 2.000 uur. Hierna wordt het gelijmde materiaal getest op zijn structurele integriteit. De prestaties van gelijmde ankerproducten onder deze omstandigheden worden in absolute zin beoordeeld door ervan uit te gaan dat de effecten van blootstelling aan deze chemische omstandigheden zich volledig hebben gemanifesteerd vóór het einde van de 2.000 uur en dat derhalve dezelfde resultaten worden gebruikt voor 50 en 100 jaar.
• Vries-dooiproeven: De basis voor deze proeven is te vinden in paragraaf 6.1.5 van Eligehausen et al [10], waar wordt beschreven dat de basis voor de acceptatie van ankers de stabilisatie is van verplaatsingen onder aanhoudende belasting gedurende 50 vries-dooicycli zonder duidelijke correlatie met het aantal vries-dooicycli dat een anker tijdens zijn levensduur kan ondergaan. Net als bij de duurzaamheidstests wordt de vorst-dooi-beoordeling uitgevoerd aan de hand van een absolute beoordeling en gelden de gegevens evenzeer voor de beoordeling over 50 jaar als over 100 jaar.
• Tests met duurzame belasting: bij tests overeenkomstig document 330499 wordt de verplaatsing van het anker onder duurzame belasting geregistreerd en geëxtrapoleerd over een periode van 50 jaar. De verplaatsingen over 50 jaar worden vervolgens vergeleken met een referentieverplaatsing. In dit geval is de overeenstemming met de levensduur van 50 jaar zeker; daarom wordt de extrapolatie van de verplaatsing onder aanhoudende belasting naar 100 jaar (die in EAD 332077 wordt voorgeschreven naast de aanvullende eisen) in aanmerking genomen voor een levensduur van 100 jaar.
• Tests voor het openen en sluiten van scheuren: EAD 330499-01 specificeert 1.000 cycli voor het openen en sluiten van scheuren. In een ander document, ACI 355.2, wordt beschreven dat deze 1.000 cycli neerkomen op 20 jaarlijkse cycli gedurende een levensduur van 50 jaar. Voor producten die in het kader van het Europees beoordelingsdocument nr. 332077 zijn beoordeeld, wordt daarom uitgegaan van 20 jaarlijkse cycli gedurende een levensduur van 100 jaar, voor een totaal van 2.000 cycli.

Figuur 5 - Samenvatting van de testoverwegingen in EAD 330499-01

Andere ontwerpoverwegingen

Afgezien van de in de ETA's opgenomen beperkingen in verband met de verplichting om een periode van 100 jaar in acht te nemen, zijn er nog andere overwegingen waarmee rekening moet worden gehouden:

• Gedeeltelijke factoren: De partiële factoren van materialen in de ETA's worden geacht gelijk te zijn aan de partiële factoren voor 50 jaar, hetgeen als conservatief wordt beschouwd omdat de kans op falen logischerwijs groter is over 100 jaar dan over 50 jaar, hetgeen zou resulteren in lagere betrouwbaarheidsindices en bijbehorende partiële factoren.
• De "ψ_sus"-factor: In EN 1992-4 [11] wordt een reductiefactor, ψ_sus, van 0,6 toegepast op het dragende deel van de ontwerpbelastingen. Deze factor is slechts geldig voor 50 jaar; op dat moment moet de ontwerper de juiste waarde van ψ_sus voor 100 jaar kiezen (zie bijvoorbeeld referentie [12] voor gepubliceerde richtsnoeren over dit onderwerp).
• Belastingen: De ontwerper moet nagaan of de belastingen voor 100 jaar moeten worden verhoogd, vooral als de terugkeerperioden van de ontwerpgebeurtenissen de levensduur omvatten.
• Andere ontwerpfactoren afhankelijk van de levensduur

Hoe ontwerp je voor 100 jaar met gelijmde ankers? ETA documentatie en ontwerpsoftware landschap van HIT-RE 500 V3

De HIT-RE 500 V3 heeft verscheidene documenten die betrekking hebben op verschillende toepassingen met verschillende bepalingen inzake levensduur:

Europese technische beoordeling (ETA)

Figuur 6 - Bestaande documenten van de RE-500 V3 volgens de levensduur.

• ETA 16/0143 heeft betrekking op achteraf geïnstalleerde ankers die worden onderworpen aan statische, quasi-statische en seismische belastingen gedurende een levensduur van 50 en 100 jaar.
• ETA 16/0142 heeft betrekking op nagemonteerd betonstaal dat wordt onderworpen aan statische, quasi-statische, brand- en seismische belastingen gedurende een levensduur van 50 jaar.
• ETA 20/0125 heeft betrekking op nagemonteerde wapening die wordt onderworpen aan statische, quasi-statische en brandbelastingen gedurende een levensduur van 100 jaar.
• Verslag van een deskundige over achteraf geïnstalleerde ankers met een levensduur van 120 jaar (deskundigenverslag)
• Technisch beoordelingsrapport voor nageïnstalleerde wapening in 120 jaar levensduur. (Rapport van deskundigen)

Achteraf aangebrachte ankers (staal op beton)

ETA 16/0143 voorziet in ontwerpvoorschriften voor 50 en 100 jaar door twee verschillende waarden voor de hechtsterkte te geven, afhankelijk van de levensduur. Bijvoorbeeld, de hechtsterkte van HIT RE-500 V3 in C20/25 beton met hamer geboorde gaten is hieronder weergegeven:  

Figuur 7 - Vergelijking van de verbindingssterkte van HIT RE-500 V3 tussen 50 en 100 jaar

De sterktewaarden van ongescheurd beton veranderen niet door de hoge veerkracht onder aanhoudende belastingen gedurende 6 maanden. Er wordt echter een sterktevermindering van ongeveer 30-40% waargenomen voor gescheurd beton na te zijn onderworpen aan tweemaal het aantal scheurcycli.

Achteraf aangebracht betonijzer (beton op beton)

Op basis van de tests en de evaluatie van het Europees beoordelingsdocument bevat de Europese technische beoordeling van het betrokken product ontwerpwaarden voor verschillende belastingsomstandigheden en levensduur. Momenteel heeft HIT-RE500 V3 een technische beoordeling voor een levensduur van 100 jaar.

Figuur 8 - HIT RE-500 V3-vergelijking van de hechtingsweerstand tussen 50 en 100 jaar voor achteraf geïnstalleerde wapeningstoepassingen

Software-oplossingen voor het ontwerpen van ankers moeten voldoen aan de eisen voor een levensduur van 100 jaar door de waarden voor hechtweerstand in de ETA-documenten te volgen. Hilti biedt ingenieurs deze optie met zijn twee softwareoplossingen Profis Engineering en Profis Rebar.

Profis Engineering (Staal naar Beton)

Profis Engineering laat de ontwerper beschikken over een bevestigingsoplossing voor 100 jaar. De enige vereiste is het product te selecteren als "HIT-RE 500 V3 100 jaar" in de kader links. Ontwerpen zullen worden aangehouden met een terugkeerperiode van 100 jaar en in de verslagen zal ook de nadruk worden gelegd op deze bepaling. Indien er aanhoudende (permanente) trek- of momentkrachten op de grondplaat werken, dient de ontwerper op de tweede pijl met stippellijnen te klikken en aanhoudende belastingswaarden in te voeren. Houdt u er rekening mee dat Ψsus wordt beschouwd als 0,6 voor 100 jaar.

Figuur 9 - 100-jaars ontwerp met Profis Engineering Software 

Profis Wapeningsstaal (Beton aan Beton)

PROFIS betonstaal omvat ontwerp voor 50 en 100 jaar. In het ontwerpproces moet de vereiste levensduur worden gekozen en zal het ontwerp worden uitgevoerd met de bijbehorende prestatiewaarden. 

Figuur 5 - 100-jaars ontwerp met Profis Rebar Software