Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen

Transcriptie

1 Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen Erik Kwast Kwast Consult Arend van Woerden Sweco Nederland Welmoed Visser en Kirsten Vos Gemeente Woerden Samenvatting De gemeente Woerden heeft haar aanpak van aanleg en beheer van infrastructuur op slappe bodem afgelopen jaren gewijzigd. Het veelvuldig terugkerende onderhoud voor de wegen, openbare ruimte en K&L (riolering) is aanleiding geweest om voor een andere aanpak te kiezen. De nieuwe aanpak is om in de voorfase (variantenstudie) bij nieuwbouw en reconstructie een onderbouwde technische keuze te maken voor type ophoogmateriaal mede op basis van de Life Cycle Costs (LCC). In de variantenstudie worden lichtgewicht materialen als Bims, EPS en Argex maar soms ook meer innovatieve oplossingen als een zettingsvrije betonplaat, Schuimglas, grondvervanging, infiltratievoorzieningen of Massastabilisatie afgewogen. Aan de hand van een voorbeeldproject zijn de aanpak en resultaten van de variantenafweging inclusief LCC beschreven. Lichte ophoogmaterialen, Life Cycle Costs (LCC), onderhoud openbare ruimte Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

2 1. Inleiding De gemeente Woerden ligt in het Groene Hart in het veenweidegebied. In het veenweidegebied bestaat de bodem uit sterk samendrukbare (voornamelijk) veenlagen, in combinatie met een hoge grondwaterstand. De bebouwing en kunstwerken in deze omgeving worden op palen gefundeerd. De wegen, K&L (o.a. riolering) worden normaliter niet onderheid en zullen onderhevig zijn aan zettingen ten gevolge van de aangebrachte belasting (ophoging) en autonome bodemdaling (achtergrond zetting voor het gehele gebied). Op basis van historische gegevens bedraagt de autonome bodemdaling in dit gebied 10 tot 20 mm per jaar. De zettingen van de wegen, K&L en openbare ruimte leiden tot ongewenste situaties, waarvan de belangrijkste zijn: - De drooglegging van de weg is onvoldoende, waardoor het draagvermogen afneemt (spoorvorming) en vorstschade kan optreden. - De drooglegging van de openbare ruimte is onvoldoende, waardoor de vegetatie onvoldoende kan groeien en de toegankelijkheid (begaanbaarheid) afneemt. - De drooglegging van de K&L is onvoldoende, waardoor korsluiting (kabels onder de grondwaterstand) kan optreden en onderhoud aan K&L lastiger (inzet bemaling) uitvoerbaar wordt. - Optreden van zettingsverschillen in dwars- en langrichting van de weg (onvlakheid), waardoor het rijcomfort en waterafvoer van de weg afneemt. - Optreden van zettingsverschillen van de riolering. Gevolg hiervan is het breken van de huisaansluitingen, verminderde prestaties van de riolering en een toename van het risico op paalfunderingsproblematiek ten gevolgen van een beschadigde en daarmee drainerende riolering. - Optreden van zettingsverschillen ter plaatse van overgangen naar onderheide kunstwerken, waardoor het rijcomfort afneemt, plasvorming ontstaat en scheurvorming van de wegverharding optreedt. - Optreden van zettingsverschillen ter plaatse van de weg en op palen gefundeerde bebouwing (zie figuur 1), waardoor gebruiksbeperking optreedt en de omgevingsbeleving (rommelig straat- en tuinbeeld, plasvorming, modder en afval blijft gemakkelijker liggen) verminderd. Figuur 1: voorbeeld verzakt trottoir naast op een palen gefundeerde woning. Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

3 De gemeente Woerden heeft haar aanpak van aanleg en beheer van infrastructuur op slappe bodem afgelopen jaren gewijzigd. Het veelvuldig terugkerende onderhoud voor de wegen, openbare ruimte en K&L (riolering) is aanleiding geweest om voor een andere aanpak te kiezen. De nieuwe aanpak is om in de voorfase (variantenstudie) bij nieuwbouw en reconstructie een onderbouwde technische keuze te maken voor het type lichtgewicht ophoogmateriaal mede op basis van de Life Cycle Costs (LCC). In de variantenstudie worden lichtgewicht materialen als Bims, EPS en Argex maar soms ook meer innovatieve oplossingen als een zettingsvrije betonplaat, Schuimglas, grondvervanging of Massastabilisatie afgewogen. Recent ontwikkeling is het in de variantenstudies meenemen van gecombineerde oplossingen van een infiltratievoorziening (Aquabase of Aquaflow) met een lichtgewicht ophoogmateriaal (Bims) beschouwd, mede om de klimaatdoelstellingen vanuit de gemeente te realiseren. 2. Aanpak LCC-berekeningen Door het berekenen van de levenscycluskosten op objectniveau in LocationCalC kunnen verschillende levensduurverlengende technieken met elkaar vergeleken worden en wordt er inzicht gegeven in de economische effectiviteit van deze scenario s. Dit kan een volledig nieuwe aanleg van infrastructuur betreffen of reconstructie van bestaande infrastructuur. Hierbij wordt uitgegaan van het ophogen van het openbaar gebied waarbij afhankelijk van de situatie de verharding, K&L (o.a. riolering), verlichting, openbaar groen, kunstwerken (onder andere duikers) kunnen worden beschouwd. Hierbij zijn verschillende levensduurverlengende technieken mogelijk die invloed hebben op de bouw- en aanlegkosten, maar ook op de gebruiks-, beheer en onderhoudskosten. De basis voor een LCC vormt het geotechnisch advies met globale technische uitwerking (onder andere type materialen en dimensies) van de te beschouwen varianten en onderhoudsscenario s. Op basis van deze gegevens worden de levenscycluskosten berekend. Na keuze van de voorkeursvariant kan definitieve technische uitwerking plaatsvinden. Voor het berekenen van de levenscycluskosten is gebruik gemaakt van LocationCalC. LocationCalC berekend de levenscycluskosten door van de verschillende scenario s. De uitkomsten van LocationCalC zijn uitsluitend bedoeld om scenario s met elkaar te vergelijken en niet om te ramen en te budgetteren. LocationCalC rekent met bouw- en aanlegkosten en gebruiks- beheer- en onderhoudskosten. Om de bedragen met elkaar te vergelijken wordt de contante waarde berekend. De gebruikte formule daarvoor is: PV FV T I = huidige waarde of contante waarde (CW) = toekomstige waarde of nominale waarde (NW) = periode (in jaren) = discontovoet Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

4 Het gebruik van Contante Waarde is een economische methodiek om de kosteneffectiviteit van verschillende varianten te vergelijken. Het is gebaseerd op de gedachte dat mensen een voorkeur hebben voor 100 euro nu dan 100 euro over bijvoorbeeld één jaar. Het geld kan nu bijvoorbeeld al op de bank worden gezeten is dan volgend jaar uitgegroeid tot 100 euro + rente. Contante waarde kan dus, eenvoudigerwijs, worden gezien als het bedrag wat je vandaag op de bank moet zetten om over een x aantal jaar voldoende geld op de rekening te hebben om het onderhoud en beheer te betalen. Hierbij is de discontovoet een belangrijke variabel. Des te hoger de discontovoet, des te sneller het geld bij elkaar is gespaard. Des te lager de discontovoet, des te groter het bedrag wat je nu opzij moet leggen om het vereiste bedrag in te toekomst bij elkaar te sparen. De gegevens voor de berekeningen worden in drie tabbladen ingevoerd in LocationCalC. In het tabblad plangegevens worden de algemene projectgegevens ingevoerd. In het tabblad scenario s worden de gegevens met betrekking tot de verschillende scenario s ingevoerd. In het tabblad kengetallen kunnen tenslotte de gegevens met betrekking tot de kengetallen worden ingevuld. De gegevens worden vervolgens berekend waarna de uitkomst wordt weergegeven in de tabblad resultaten (zie figuur 2). Figuur 2: Verwerking van de gegevens in LocationCalC. De LCC variantenstudie is bedoeld voor het afwegen van varianten en kan daarmee niet worden gezien als budgetraming. Hiervoor dient een raming volgens SSK systematiek te worden opgesteld. Binnen de gemeente Woerden wordt regelmatig gekozen voor een bredere afweging op basis van een Multi Criteria Analyse (MCA), waarbij de LCC dan één van de af te wegen criteria is naast bijvoorbeeld de MKI-score uit DuBoCalc of uitvoerbaarheid van de maatregel. Aan de verschillende criteria worden dan wegingsfactoren toegekend op basis van lokale omstandigheden en mate van ambitie. De ambitie kan verder worden uitgewerkt met een ambitieweg volgens de aanpak Duurzaam GWW. In dit artikel wordt niet verder ingegaan op de MCA. 3. Voorbeeld project Slotenbuurt Zegveld 3.1 Projectbeschrijving De gemeente Woerden is voornemens om de Slotenbuurt te Zegveld (gemeente Woerden) te reconstrueren. De bebouwing en infrastructuur is rond 1995 gerealiseerd. De bebouwing is Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

5 gefundeerd op houten palen met betonnen oplangers. Voor de wijk is reconstructie van de wegen, riolering en openbaar groen voorzien (zie figuur 3, 4 en 5). Daarnaast wordt de beschoeiing vervangen. Hierbij zijn verschillende ophoogscenario s mogelijk die invloed hebben op de bouw- en aanlegkosten, maar ook op de gebruiks-, beheer- en onderhoudskosten. Door het berekenen van de levenscycluskosten op objectniveau in LocationCalC kunnen verschillende levensduurverlengende technieken (varianten) met elkaar vergeleken worden en wordt inzicht gegeven in de economische duurzaamheid van deze varianten. De beschouwde varianten voor de Slotenbuurt zijn: - Variant 1: ophogen met Bims (lichtgewicht ophoogmateriaal). - Variant 2: ophogen met EPS (lichtgewicht ophoogmateriaal). - Variant 3: ophogen met betonconstructie op betonnen paalfunderingen (constructieve fixerende oplossing). Figuur 3: Locatie Slotenbuur te Zegveld (gemeente Woerden). Figuur 4: bestaande situatie Slotenbuurt. Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

6 Figuur 5: Bovenaanzicht en doorsneden reconstructie Slotenbuurt. 3.2 Geotechnisch advies variantenstudie De restzettingseis voor dit project bedraagt maximaal 0,05 m na 10 jaar en 0,10 m na 30 jaar, exclusief autonome bodemdaling. De restzettingseis is bepaald aan de hand van de vastgestelde onderhoudsniveaus openbare ruimte van de gemeente Woerden. Voor de bouwtijd (ophogings- en zettingstijd) is 1 jaar beschikbaar. De bovenkant van de bestrating is voorzien op circa NAP -1,8 en het trottoir op NAP -1,7 m. De gemiddelde grondwaterstand bedraagt NAP -2,5 m, zodat de drooglegging gelijk is aan 0,7 m. Het huidige maaiveld is op circa NAP -2,2 m gelegen, zodat de netto ophoging gelijk is aan circa 0,4 m. Bij de Bims- en EPS-ophoging is onder het trottoir aan beide zijden van de rijbaan/parkeervakken een K&L-strook voorzien en wordt de riolering in het midden van de rijbaan aangelegd. De breedte van de K&L-strook is gelijk aan de trottoirbreedte. De diepte van de K&L-strook bedraagt 1,1 m minus bovenkant bestrating. Voor de betonconstructie op palen is een K&L-strook aan één of beide zijden van de rijbaan voorzien. De riolering en K&L worden in een verdiept gelegen betonnen constructie opgenomen (onderzijde betonnen constructie op circa 2,0 m minus bovenkant bestrating). Indien de betonnen constructie voor de K&L-strook aan één zijde is gelegen, wordt de betonconstructie voor de weg lokaal verdiept uitgevoerd ten behoeve van de K&L-kruisingen. Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

7 De bestaande wegconstructie bestaat uit asfalt en funderingslaag van circa 0,5 m. Ter plaatse van het trottoir zijn tegels met een zandlaag van circa 0,15 m aanwezig. Onder de wegconstructie en het trottoir wordt een dikke veenlaag aangetroffen van circa 6,0 m tot aan de Pleistocene zandlaag. Het geotechnisch ontwerp voor de variant1 en 2 met lichtgewicht ophoogmateriaal is conform NEN (Eurocode 7) [1] en CROW-publicatie 325 [2] uitgewerkt. De ontwerp voor de paalfundering met betonplaat (variant 3) is volgens NEN verricht. Op basis van de bodemopbouw, grondwaterstand, bestaande en nieuwe wegconstructie (aanlegniveau circa 0,4 m hoger dan bestaande wegniveau) is voor de varianten Bims en EPS indien haalbaar een evenwichtsconstructie voor de weg/parkeervakken, groenstrook en trottoir met K&L-strook gedimensioneerd. Voor de Bims-ophoging bleek een evenwichtsconstructie in deze situatie niet haalbaar en betreft het een zettingsarme constructie waarbij niet voldaan wordt aan de gestelde restzettingseisen. Feitelijk valt deze variant daarmee in technische zin af voor de variantenstudie, maar gekozen is om deze ter vergelijking toch mee te nemen in de LCC-berekeningen. De dimensies van de zettingsarme constructie ter plaatse van de weg/parkeervakken zijn in tabel 1 weergegeven. Voor de groenstrook wordt 0,7 m bomengrond toegepast. De opbouw ter plaatse van het trottoir met K&L-strook bestaat uit tegels met straatzand en daaronder circa 1,0 m Flugsand conform de eisen van de K&Lbeheerders. Diepte van/tot Dikte Ophoogmateriaal [m NAP] [m] -1,80/-1,93 Bestrating en straatzand 0,13-1,93/-2,23 Menggranulaat 0,30-2,23/-2,70 Yali Bims o.g. 0,47 Tabel 3.1: Opbouw wegconstructie rijbaan/parkeervakken met Bims-ophoging (variant 1). Voor de EPS-ophoging is een evenwichtsconstructie uitgewerkt waarmee voldaan wordt aan de gestelde restzettingseisen. Ter bescherming tegen chemische aantasting, vegetatieschade en graafschade worden de zijkanten en bovenzijde van het EPS voorzien van een vloeistofdicht folie. Op het EPS wordt Bims toegepast als spreidingslaag in plaats van zand om het gewicht en daarmee de dikte van de lichtgewichtconstructie te beperken. Zodoende kan de benodigde ontgravingsdiepte en tijdelijke grondwaterstandsverlaging (bemaling) met omgevingsbeïnvloeding worden geminimaliseerd. De dimensies van de evenwichtsconstructie ter plaatse van de weg/parkeervakken zijn in tabel 2 gepresenteerd. Ter plaatse van de groenstrook en het trottoir met K&L-strook wordt onder de voorziene opbouw een laag van eveneens 0,3 m EPS toegepast, zodat op deze locaties eveneens een evenwichtsconstructie wordt gerealiseerd. Diepte van/tot Dikte Ophoogmateriaal [m NAP] [m] -1,80/-1,93 Bestrating en straatzand 0,13-1,93/-2,23 Menggranulaat 0,30-2,23/-2,50 Yali Bims o.g. 0,27-2,50/-2,80 EPS 150 0,30 Tabel 2: Opbouw wegconstructie rijbaan/parkeervakken met EPS-ophoging (variant 2). Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

8 De betonconstructie op palen is een innovatieve oplossing voor de gemeente Woerden. Momenteel is de reconstructie in Kanis in voorbereiding met toepassing van een betonconstructie op palen als pilotproject binnen de gemeente. De betonconstructie op palen, inclusief K&L-strook met kruisingen, is in samenwerking tussen de constructeur en geotechnisch adviseur voor de variantenstudie Slotenbuurt globaal uitgewerkt. De aangehouden wegopbouw met betonplaat is weergegeven in tabel 3. Om omgevingsbeïnvloeding en mogelijk schade te voorkomen, wordt bij voorkeur voor de paalfundering uitgegaan van trillingsvrije schroefpalen, welke aangebracht kunnen worden met inzet van klein materieel. Dit gezien de korte afstand van de constructie tot de bestaande bebouwing en beperkte werkruimte in de bebouwde omgeving. De trillingsvrije schroefpalen (tubexgroutinjectiepalen o.g. rond 457/560 mm, h.o.h.-afstand 2,5 m) worden aangebracht tot circa 8,0 m in de Pleistocene zandlaag. Gezien de relatief hoge kosten van de trillingsvrije paalfundering is tevens een alternatieve trillingsarme paalfundering met inwendige geheide stalen buispalen (rond 406/420 mm, h.o.h.-afstand 2,5 m) uitgewerkt, welke aangebracht worden tot 10,0 m in de Pleistocene zandlaag. Diepte van/tot Dikte Ophoogmateriaal [m NAP] [m] -1,80/-1,93 Bestrating en straatzand 0,13-1,93/-2,13 Menggranulaat 0,30-2,13/-2,50 Zand voor zandbed 0,27-2,50/-2,85 Betonplaat op palen 0,35 Tabel 3: Opbouw wegconstructie rijbaan/parkeervakken met betonconstructie op palen (variant 3). 3.3 LCC-berekeningen Voor de berekeningen van de levenscycluskosten is uitgegaan van een levenscyclus van honderd jaar ( ). Het gehanteerde prijspeil is De discontovoet van 2,5% is gebaseerd op de notitie Advies te hanteren discontovoet bij de Life Cycle Cost analyse van het Kennisinstituut voor Mobiliteitsbeleid [3]. In tabel 4 zijn de algemene plangegevens weergegeven. Locatie en bestaande situatie Oppervlakte plangebied m 2 Rijbaan m 2 Parkeervakken m 2 Groen 690 m 2 Trottoir m 2 Bestaande gemiddelde maaiveldhoogte -2,20 m +NAP Bestaand gemiddeld grondwaterstand -2,50 m +NAP Bestaande gemiddelde drooglegging 0,3 m Hoogte maaiveldniveau na reconstructie -1,7 m +NAP Grondsoort Veen Zegveld Gemiddelde dikte samendrukbare grondlaag 6,5 m Aantal huishoudens 123 Tabel 4: Plangegevens gebruikt voor LCC-berekeningen. Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

9 De reconstructie van de openbare ruimte Slotenbuurt bestaat uit de volgende kostenbepalende onderdelen: - Funderingsconstructie. - Bestrating. - Riolering. - K&L. - Verlichting. Naast de bouwkosten zijn de onderhoudskosten van belang voor de LCC-berekeningen. Voor het bepalen van de onderhoudskosten zijn voor de varianten 1 t/m 3 de onderhoudsscenario s voor de funderingsconstructie bepaald (zie figuur 6). Op basis van de ervaring vanuit de gemeente Woerden is voor de Bims-ophoging uitgegaan van een reconstructietijd van 20 jaar voor de wegfundering en voor de EPS-ophoging van 40 jaar. Dit mede gezien dat met de Bims-ophoging in deze situatie niet voldaan kan worden aan de gestelde restzettingseisen, waardoor eerder onderhoud benodigd is. Voor de betonconstructie op palen treden geen zettingen op en is de verwachte reconstructietijd (levensduur) gelijk aan (minimaal) 100 jaar. Figuur 6: Overzicht onderhoudsscenario s funderingsconstructie varianten 1 t/m 3. De onderhoudsscenario s voor het herstraten en riolering zijn afhankelijk van de optredende zetting per variant en van de levensduur van de constructie. De aangehouden onderhoudsscenario s voor het herstraten zijn in figuur 7 weergegeven en voor de riolering in figuur 8. Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

10 Figuur 7: Overzicht onderhoudsscenario s herstraten varianten 1 t/m 3. Figuur 8: Overzicht onderhoudsscenario s riolering varianten 1 t/m 3. Op basis van de kostenkengetallen van Sweco voor de bouw- en onderhoudskosten, aangevuld met specifieke kostengegevens vanuit de gemeente (o.a. K&L) zijn de LCCberekeningen verricht. De resultaten van de levenscycluskosten per variant zijn weergegeven in tabel 5. De onderverdeling van de bouw- en aanlegkosten en gebruiks-, beheer- en onderhoudskosten voor de toekomstige waarde (FV) is nader gepresenteerd in figuur 9. De keuze van het hanteren van de huidige of toekomstige waarde is afhankelijk van de gekozen financiering en kan verschillen per gemeente. De gemeente Woerden heeft gekozen voor vergelijking op basis van toekomstige waarde. Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

11 Tabel 5: Overzicht levenscycluskosten per variant. Figuur 9: Overzicht onderverdeling levenscycluskosten (toekomstige waarde) per variant. Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen

12 4. Conclusies Uit de variantenstudie blijkt dat de variant EPS-ophoging met een toekomstige waarde van 12,0 miljoen voor de reconstructie van de Slotenbuurt (bouw- en onderhoudskosten) als goedkoopste variant uit de LCC-berekeningen naar voren komt. De variant betonconstructie op trillingsarme palen is vervolgens de meest aantrekkelijk variant met een toekomstige waarde van 12,6 miljoen. Beide varianten komen met een verschil van 5% (binnen de foutmarge van de LCC-tool) vergelijkbaar uit de variantenafweging. De variant Bimsophoging met een toekomstig waarde van 16,1 miljoen en de variant betonconstructie op trillingsvrije palen met een toekomstige waarde van 18,7 miljoen zijn in deze situatie minder interessante opties. Opgemerkt wordt dat voor de variant betonconstructie op palen naar verwachting een combinatie van trillingsvrije en trillingsarme palen noodzakelijk is om schade aan de bestaande bebouwing te voorkomen. Hiermee is de variant betonconstructie op palen minder aantrekkelijk voor toepassing en is door de gemeente gekozen om voor de Slotenbuurt de reconstructie met EPS-ophoging verder uit te werken in de voorbereiding (bestek). Andere overwegingen voor de voorkeursvariant EPS-ophoging zijn in deze situatie gelegen in de uitvoerbaarheid, omgevingsbeïnvloeding, duurzaamheid en ruimtelijke kwaliteit en gebruik. Op basis van de ervaringen van de betrokken partijen bij de diverse variantenstudies binnen de gemeente Woerden is dat elk project (bijvoorbeeld nieuwbouw of reconstructie) zijn specifieke uitgangspunten en randvoorwaarden (bijvoorbeeld de geotechnische en geohydrologische omstandigheden) heeft en dit van invloed is op de keuze van de voorkeursvariant. Het opstellen van een locatiespecifiek geotechnisch advies en vervolgens uitvoering van de LCC-berekeningen inclusief realistische onderhoudsscenario s is daarmee noodzakelijk om tot een goede onderbouwing te komen. [1] NEN , Geotechnisch ontwerp van constructies - Deel 1: Algemene regels (Eurocode 7), juni [2] CROW-publicatie 325, Lichte ophoogmaterialen in de wegenbouw, d.d. mei [3] publicaties/rapporten/2012/10/30/adviesdiscontovoet-life-cycle-cost-analyses.html Keuze type ophoogmateriaal op basis van LCC-berekeningen CROW Infradagen