VERGELIJKING TROPISCH HARDHOUT MET IN AANMERKING KOMENDE ALTERNATIEVE MATERIALEN, GEZIEN

Transcriptie

1 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Rijkswaterstaat Bouwdienst Rijkswaterstaat VERGELIJKING TROPISCH HARDHOUT MET IN AANMERKING KOMENDE ALTERNATIEVE MATERIALEN, GEZIEN VANUIT DE CONSTRUCTIE Hoofdafdeling Natte Infrastructuur Afdeling Constructieve Waterbouw Utrecht, 23 oktober 1991

2

3 BIBLIOTHEEK Bouwdienst Rijkswaterstaat Postbus LA Utrecht BIBLIOTHEEK BOUWDIENST RUKSWATERSTMT 2 NR..CQb.SA. SOs>. INHOUDSOPGAVE 1. INLEIDING 3 pag. 2. MATERIALEN 3 3. AFWEGING DAMWANDCONSTRUCTIE 4 4. AFWEGING MEERSTOELEN 6 5. AFWEGING REMMINGWERKEN 9 6. AFWEGING SLUISDEUREN 11 FIGUREN 1 T/M 5 BELASTINGSCHEMA 1 S

4 3 1. INLEIDING De materialen die in de constructieve waterbouw gebruikt worden, zijn behoudens gewapend beton en grond in hoofdzaak staal en tropisch hardhout. Beide materialen worden als halfprodukt afgenomen van de leverancier d.i. de staalproducent en de houtleverancier. Na een bewerking wordt het eindprodukt verkregen, geschikt om voor langere t i j d te voldoen aan gestelde eisen. Het is op het moment dat het halfprodukt gereed is, dat de vergelijking van gebruik en kosten dezerzijds begint. Uitgangspunt daarbij is dat de levensduur in de vergelijking ca. is, d.w.z. van alle te gebruiken materialen zal worden aangegeven wat de totale kosten zullen zijn als de constructie gedurende moet stand houden. Vanzelfsprekend zal tussentijdse vernieuwing, indien nodig, daarbij worden meegenomen. De kosten zullen globaal worden aangegeven en slechts waarde hebben als vergelijking qua ordegrootte met andere materialen onderling. De weergegeven kosten zijn inclusief directe en indirecte kosten, echter exclusief B.T.W. Het prijspeil van alle te bepalen kosten is Uit het zeer ruime aantal mogelijke constructies zullen in de vergelijking worden betrokken: a. damwandconstructies; b. een meerstoel; c. een vast remmingwerk, geschikt voor pleziervaart en kleine beroepsvaart; d. een sluisdeur (puntdeur). 2. MATERIALEN Vergeleken zullen worden de navolgende materialen: tropisch hardhout met a. grenen, behandeld tegen aantasting; of b. staal; of c. zo mogelijk beton; of d. kunststoffen waaronder recycling. Ook eventuele combinaties zullen daarin worden betrokken: Voor de constructieve waterbouw geschikte materialen, die niet ruim in de benodigde afmetingen en niet steeds t i j d i g voorhanden zijn (w.o. eiken bijv.) zijn niet in de vergelijking meegenomen. De volgende aspecten spelen een rol: de afmetingen met betrekking tot de toelaatbare a, E en doorbuiging; het oppervlak ten aanzien van wrijving, slijtage, veroudering en corrosie; de kosten; - de plaats van het materiaal in de constructie. In beschouwing worden genomen de volgende materialen met hun karakteristieke eigenschappen:

5 4 materiaal toelaatbare buigtrekspanning a [N/mm 2 ] E-modulus [N/mm 2 ] a 2 /E [kn/m 2 ] beton, B45 1) m 1 2) m ) - 0 staal, Fe Fe X kunststof: 3) - thermoplast thermoharder (GVK-glasvezelversterker kunststof) azobe basralocus naaldhout stootbelasting (meerpaalconstruetie) statische belasting (damwandconstruetie) de waarden van replast en reharder (recycling) zijn ca. 3/4 x de waarden van de uitgangsmaterialen. Wat levensduur van het materiaal betreft is aangehouden: Azobe voor damwandgebruik max. 25 jaar Azobe voor geleidewerken max. 30--, afhankelijk van het watermilieu - Grenen (verduurzaamd) max. 25 jaar Staal geconserveerd - Gewapend beton max. met overwaarde dekking Kunststof max. 3. AFWEGING DAMWANDEN (zie figuur 1) De kerende hoogte van een damwand bepaalt grotendeels welke materialen in aanmerking komen. Zo zal bij kleine kerende hoogten veelal hout gebruikt kunnen worden, terwijl bij grotere kerende hoogten staal de voorkeur verdient. De vergelijking van tropisch hardhout met een alternatief materiaal, kan dus slechts een damwand met vrij kleine kerende hoogte betreffen. Als uitgangspunt diene een damwand die: een kerende hoogte heeft van 1,50 m'; opgebouwd is uit Azobe-damplanken dik 4 cm; - verankerd h.o.h. 10 m aan ankergordingen 20 x 20 cm; toelaatbare spanningen als gegeven; lengte damplanken 3,10 m. a. Geimpregneerd grenen (zie figuur) Gezien het grote verschil in de toelaatbare buigtrekspanningen van grenen ten opzichte van azobe (13 N/mm 2 t.o.v. 40 N/mm 2 ) zal het weerstandsmoment groter moeten worden. Het gevolg is dat er vrij grove constructies worden verkregen:

6 5 40 planken d = 4 cm moeten worden J ( ) * 4 = 7 cm dik 13 - balken van 20 * 20 cm moeten worden 20 * 35 cm In beide gevallen kan hetzelfde anker worden gebruikt. Nadeel van het gebruik van geimpregneerd grenen is: - het veel zachtere hout t.o.v. azobe veroorzaakt sneller beschadiging waardoor ook weer sneller rotting ontstaat: kortere levensduur; - grote partijen hout van grote afmetingen zijn slechts zeer weinig voorhanden, zodat aan samengestelde constructies niet zal kunnen worden ontkomen, hetgeen duur i s ; - het in de t i j d uitlogen van de geimpregneerde vloeistof zal het hout meer en meer aan rotting onderhevig maken: kortere levensduur. Benodigd: Azobe-planken per m' wand 0,12 m* Azobe-gording per m 1 0,04 m Grenen planken per m' wand 0,22 m* Grenen gording per m' 0,07 m Alternatief voor de grenen gording m 1 : Stalen profiel 2 x UNP kg. b. Gewapend beton (zie figuur) Overwogen zou kunnen worden in plaats van tropisch hardhout, planken van gewapend beton te gebruiken. Gezien de vrij geringe opneembare trekspanning in beton zal een gewapende plank nodig zijn. Om heispanningen op te nemen moet de plank bovendien een dubbele wapening krijgen. Tezamen met de op de wapening benodigde dekking wordt de plank vrij zwaar. De kosten van aanbrengen in het werk worden gelijk geacht aan die bij tropisch hardhout. c. Staal (zie figuur) Voor keringen is staal een geschikt materiaal daar een hoge toelaatbare buigspanning in vergelijking met tropisch hardhout mogelijk is. Voor kleine kerende hoogten is het lichtste stalen profiel vaak nog te zwaar, waardoor overdimensionering het gevolg is. Stalen damwandprofielen roesten, waardoor gerekend moet worden met vermindering van de aanwezige staaldikten tijdens de levensduur. De corrosiesnelheid ligt gemiddeld tussen 0,05 en 0,1 mm/jaar, mits de gecorrodeerde laag op het materiaal aanwezig b l i j f t. Een licht profiel met dikte van het staal van 5 mm zou dus theoretisch mee kunnen alvorens de plank volledig is afgeschreven (gaten in de plank). Gaan we echter uit van een dikte van 6 mm, dan zou na 50 jaar nog net voldoende materiaal over moeten zijn om de functie te vervullen, zonder dat gebruik is gemaakt van

7 6 corrosiewerende produkten (theoretisch geen gaten in de plank). Bij gebruik van een goed corrosiewerend produkt kan het begintijdstip van aantasting van het staal ca. 10 jaar worden uitgesteld, waardoor 5 mm weer voldoende is. In de prijsvergelijking wordt eenmaal conserveren meegenomen. Bovendien wordt meegenomen de lagere kosten van aanbrengen van de damwand. Priisveraeliikina per m' damwandconstructie (excl. B.T.W.) Uitgangspunten: - hoeveelheden gebaseerd op constructieleven, d.w.z. bij bijvoorbeeld levensduur materiaal 25 jaar, wordt 2x de hoeveelheid opgenomen; de benodigde gordingen worden in de hoeveelheden verwerkt ; - het aanbrengen van de verschillende planken zal apart vermeld worden; stalen gordingen exclusief conservering, inclusief menielaag; - verankering wordt per alternatief gelijk gesteld en is niet in de kostenvergelijking meegenomen; - bij tussentijdse vervanging (25 jaar) van de damwand is uitgegaan van hergebruik van de verankering. Materiaal Levensduur Benodigd materiaal Bedrag materiaal Aanbrengen Totaal bedrag/m' Azobe 25 jaar 0,16 m / 40 +) 459 *) Grenen met gording 25 jaar 0,29 m / 40 +) 570 *) Grenen zonder gor. Gording staal 25 jaar 0.22 m3 45 kg ) 508 *) Gewapend beton Gording 0,37 m3 45 kg Stalen damwand Stalen gording Staal conservering lx p/50 jr 170 kg 45 kg 2 m? Stalen damwand Stalen gording 217 kg 45 kg Bedragen in guldens *) Bedrag gekapitaliseerd naar heden; reele rentevoet 5% +) Sloopkosten per m' 4. AFWEGING MEERSTOELEN (zie figuur 2) 1. Hoofdconstructie Bepalend voor het materiaal om geschikt te zijn voor een meerpaal is de materiaalfactor a 2 /E. Hoe groter deze factor, hoe geschikter het materiaal kan zijn. Dit in verband met de benodigde energieopname. Gegevens voor de bepaling van deze factor worden ontleend aan de staat, die onder "Materialen" is gegeven.

8 7 Vergelijking van de verschillende materiaalfactoren t.o.v. de materiaalfactoren van basralocus en azobe leert: - Ongewapend beton voldoet niet doordat de treksterkte van beton nihil is. Gewapende of voorgespannen betonconstructies zijn beter in staat om buigtrekspanningen op te kunnen nemen, echter door de toelaatbare druksterkte van ca. 36 N/mm 2 wordt de materiaalfactor beperkt tot ca. 42 kn/m 2. Een oplossing is om fenderconstructies toe te passen in combinatie met een betonconstructie. Een zware betonconstructie met grote afmetingen b l i j f t echter noodzakel i j k. Conclusie: Bij afmetingen in dezelfde orde van grote als hardhouten constructies is beton als materiaal niet geschikt voor remmingwerken en ducdalven (meerstoelen). - Staal l i j k t een geschikt alternatief materiaal, staalkwaliteit Fe360 is ongeveer gelijkwaardig met azobe. Toepassing van hogere staalkwaliteiten is zeer gunstig, om die reden is ook staalkwaliteit X-70 toegevoegd. Uitgegaan is in de tabel van een toelaatbare trekspanning van 0.9 * ae. In de praktijk worden veel stalen buispalen toegepast, dit omdat het materiaal goed benut wordt en zowel de stijfheid als de sterkte in alle richtingen hetzelfde is. Bovendien is het goed mogelijk de staaldoorsnede te verjongen of verschillende staalkwaliteiten toe te passen. De materiaalfactor voor kunststof (thermoplast) is tot ca. viermaal groter dan die voor basralocus en ongeveer gelijk aan die van staal, kwaliteit Fe510. Dit zou de conclusie kunnen rechtvaardigen dat een kunststof paal (thermoplast) voldoet. Echter gezien de kleine E-waarde («1/200 * E staal) wordt een dusdanige grote uitbuiging verwacht, dat dit voor een remmingwerk of een meerstoel niet aanvaardbaar zal zijn. Ook zullen de benodigde afmetingen van de constructie, gezien de kleine treksterkte van het materiaal, groot zijn. Conclusie: toepassing van kunststof (thermoplast als paalmateriaal) is geen haalbaar alternatief. - Glasvezelversterkte kunststof (GVK) of reharder zou het aangewezen materiaal zijn. De elasticiteitswaarde is ongeveer 1/20 * E staal, zodat grotere vervormingen verwacht worden. Nader onderzoek moet uitwijzen of uitvoering mogelijk is. Verwacht wordt dat de kosten voor toepassing van GVK gewapend polyester hoger zullen zijn; de kosten van reharder benadert die van azobe. - Europees of Amerikaans naaldhout is gezien de materiaalfactor niet geschikt vergeleken met basralocus en azobe. Een aanzienlijk aantal gekoppelde palen zou een oplossing kunnen zijn. Dit wordt hier niet verder uitgewerkt. Uit het bovenstaande volgt de conclusie: alleen staal l i j k t (momenteel) geschikt om de palen van tropisch hardhout te vervangen.

9 8 Uitgaande van de energie (ca. 20 knm) die de paalconstructie moet opnemen, kan een meerstoel met 4 basralocuspalen vergeleken worden met een stalen paal <p met wanddikte van 12 5 mm en kwaliteit X70. Gewicht van de paal per m' is 170 kg. De paal wordt eenmaal geconserveerd gedacht, daar conservering in het werk over het algemeen niet bijdraagt tot verlenging van de levensduur. Om een scheepsvriendelijker constructie te maken kan de stalen buispaal nog van een bekledingsconstructie worden voorzien. De kosten hiervan worden apart vermeld (zie punt 2). Priisvergelinking meerpaal excl. bekleding (excl. B.T.W.) Materiaal Levensduur Benodigd materiaal Bedrag materiaal Aanbrengen Totaal bedrag Basralocus palen 10 m jaar 10 m /1500+) *) Stalen buispaal 2550 kg Staal conservering lx p/50 jr 22 m Bedragen in guldens *) Bedrag gekapitaliseerd naar heden; restwaarde hout 30%; reele rentevoet 5% +) Sloopkosten Bekledingsconstructie (zie figuur) Indien aan de stalen buispalen haalpennen bevestigd moeten worden, was het tot nu toe gebruikelijk deze in een hardhouten bekleding rond de paal op te nemen. In plaats van azobe kan de bekledingsconstructie ook zodanig worden aangepast, dat er geen hout meer gebruikt wordt. De houten balken worden vervangen door een stalen koker of een orthotrope plaat waarop strippen UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) zijn bevestigd. Is een minder scheepsvriendelijke oplossing mogelijk, dan kunnen de UHMWPE-strippen worden weggelaten. De levensduur van de plaat of de kokers zal dan mogelijk door het schuren van de schepen korter worden. De haalpen is bereikbaar door een uitsparing in de orthotrope plaat. De staalconstructie wordt eenmaal in de fabriek geconserveerd. Zonodig kan deze handeling, zij het eenvoudiger, in het werk herhaald worden in de vorm van onderhoud; alleen de fabrieksconservering is in de kostenvergelijking-meegenomen. De stalen ringen rondom de paal, ter bevestiging van de bekledingsconstructie, zijn niet in de kostenvergelijking meegenomen.

10 9 Priisvergelinking per m 2 schort (excl. B.T.W.) Materiaal Levensduur Benodigd materiaal Bedrag materiaal Aanbrengen Totaal bedrag Azobe 0,25 m jaar 0,25 m *) Staalplaat 200 kg UHMWPE 25 jaar 30 dm3 450 Kokerprofielen +) 192 kg *) Staal conservering lx p/50 jr 3,2 m Bedragen in guldens *) Bedrag gekapitaliseerd naar heden; restw. hout 30%; reele rentevoet 5% +) Door optimalisatie het bedrag aan staal nog te verlagen. -) Sloopkosten te verwaarlozen. 5. AFWEGING REMMINGWERKEN (zie figuur 3) Voor de remmingwerken die slechts geschikt behoeven te zijn voor aanvaringen door kleinere schepen, is hardhout zeer geschikt. Dit geldt ook voor geleidingsconstructies bij bruggen e.d. Wil men hier een ander materiaal toepassen, dan kunnen voor de palen, stalen buispalen worden gekozen (overeenkomstig het onder Hoofdstuk 4 genoemde) en voor de horizontale houten liggers een alternatieve bekledingsconstructie. Voor de bekledingsconstructie tussen en voor de palen gelden de volgende eisen: Geschikte oppervlakteruwheid t.a.v. contact met de scheepswand. - Het totale gewicht van de bekledingsconstructie moet beperkt blijven. Geen overmatige onderhoudskosten t.g.v. het aanleggen van schepen (goede duurzaamheid). Deze eisen hebben tot gevolg, dat: Beton afvalt vanwege gewicht en ruwheid. - Staal qua gewicht goed voldoet, maar afvalt vanwege de minder scheepsvriendelijke krachtsinteractie (staal op staal). - Kunststof (Replast of Reharder) voldoet, maar vanwege de lage toelaatbare trekspanning (a en E) zal, uitgaande van een constructie met overeenkomstige eigenschappen als die van de azobeconstructie, een grotere doorsnede noodzakelijk zijn met bijbehorende hogere materiaalkosten. - De combinatie staal-kunststof is een combinatie die aan alle eisen voldoet, dit door het toepassen van staal voor het frame en kunststof al bekledingsmateriaal. De profielkeuze wordt bepaald door de traditionele constructie van azobe te vervangen door een stalen constructie met overeenkomstige sterkte- en stijfheidseigenschappen.

11 10 Een voor de hand liggende profielkeuze is die van een koker met afmetingen 250x150x10 mm en staalkwaliteit Fe360. Dit profiel komt overeen met de algemene toegepaste azobebalk met afmetingen 200x300 mm. Dit wil niet zeggen dat er constructief en economisch geen optimalere constructie te bedenken valt. Ook hier is nader onderzoek noodzakelijk. Het gewicht van de koker bedraagt 57 kg/m', het vergelijkbare azobeprofiel heeft een gewicht van 78 kg/m'. Op het staalprofiel wordt een kunststofstrip, UHMWPE met afmetingen van 240x50 mm, bevestigd. Deze strip fungeert als bekledingsmateriaal en heeft een wrijvingscoefficient 50% lager dan azobe, de slijtvastheid is echter honderden malen groter. Vanzelfsprekend kan het kunststof ook vervangen worden door een strip van azobe. Ten opzichte van een massieve balk levert dit nog een besparing op van ca 75% Glasvezelversterkt kunststof wordt om eerder genoemde redenen hier niet nader uitgewerkt. Nader onderzoek is noodzakelijk. Vervanging van azobe door Europees of Amerikaans naaldhout is mogelijk, echter alleen als kleedhout op een stalen frame omdat t.g.v. de lage toelaatbare buigtrekspanning grote massieve liggers bij toepassing van naaldhout alleen nodig zullen zijn. Een eerste nadeel van het gebruik van naaldhout is het vrij zachte karakter van het hout. Aanvaring door schepen zal vrijwel a l t i j d schade tot gevolg hebben, hetgeen veel onderhoud vraagt. Een tweede nadeel is de geringe duurzaamheid. Deels kan dit worden opgevangen door impregneren, hetgeen echter kostenverhogend werkt. Conclusie is dat naaldhout niet erg geschikt is voor dit doel. (Uitzondering kan Larix-hout vormen, hetgeen echter bijna niet verkrijgbaar is.) Voor de paal kan als alternatief worden gekozen de stalen paal 0323/10 staalkwaliteit X70; voor de bekleding zie figuur 3. Gerekend met energieniveau van 10 knm. Priisveraeliiking per m 1 remmino en per paal (excl. B.T.W.) Materiaal Levensduur Benodigd materiaal Bedrag materiaal Aanbrengen Totaal bedrag Azobe liggers 0,12 m jaar 0,12 m /40 +) 408 *) Basralocuspaal 30 jaar 2,40 m /560 +) 4296 *) Stalen kokerprof. 114 kg 772 Hakorit 25 jaar 30 dm *) Conserveren lx p/50 jr 1,6 m ) Stalen buispaal 1300 kg Conservering lx p/50 jr 12 m Bedragen in guldens *) Bedrag gekapitaliseerd naar heden; restwaarde hout 30%; reele rentevoet 5% +) Sloopkosten

12 11 6. AFWEGING SLUISDEUREN (zie figuren 4 en 5) Algemeen wordt gesteld dat houten en stalen sluisdeuren (puntdeuren) uitstekend geschikt zijn v.w.b. de functionele eisen. Andere typen sluisdeuren (hefdeuren en roldeuren) worden alleen in staal uitgevoerd. Afweging hardhouten puntdeuren versus stalen puntdeuren vindt hier plaats. Vanwege duurzaamheid en sterkte-eigenschappen worden alleen de houtsoorten (azobe, demerara groenhart, enz.), duurzaamheidsklasse I, toegepast. NB: Daar waar sluisdeuren in bewegend contact komen met de omgeving (daar waar wrijving en slijtage optreden), kan bekleding met hout worden vervangen door UHMWPE, en/of door Replast en Reharder. De volgende aspecten worden afgewogen: 1. aanschafkosten; 2. levensduur en benodigd onderhoud; 3. aanvaarschade; 4. totale gekapitaliseerde kosten. 1. Aanschafkosten De volgende (algemene) eenheidsprijzen mogen worden toegepast (uiteraard afhankelijk van belasting en overspanning): Staal: f 3940/m 2 (materiaal, fabricage en conservering); Azobe: f 2625/m 2 (materiaal, fabricage en beslag). 2. Levensduur en onderhoud Alleen groot onderhoud is in beschouwing genomen, onderhoud aan bewegingswerken en draaipunten is niet meegenomen. Staal: Uitgangspunt: levensduur Ouderhoud : * elke 7 a 8 jaar gedeeltelijk stralen en conserveren (25%) ; * na 25 jaar geheel oppervlak stralen en conserveren. Azobe: - Uitgangspunt: levensduur Onderhoud : * na 25 jaar staalwerk vervangen - Uitgangspunt: levensduur 30 jaar Onderhoud : geen groot onderhoud.

13 12 3. Aanvaarschade - Afhankelijk van de mate van botsing kleinschalige dan wel grootschalige noodzakelijke reparatie, zowel voor staal als hardhout. - Grootschalige reparatie is in principe een verzekeringszaak. 4. Totale gekapitaliseerde kosten Uitgangspunten: puntdeur 30 m 2 kosten conserveren staal f 50,-/m 2 - kosten aan-/afvoer bok f ,- in serie onderhoud aan meerdere deuren uitvoeren reele rentevoet 5% - vervangen beslag (na 25 jaar) houten deur f ,= afschrijving lineair. Priisvergelinking per m 2 puntdeur (excl. B.T.W.) Materiaal en levensduur Aanschaf prijs Groot onderhoud *) Vervangen + restwaarde *) Totaal bedrag *) Staal, L /m 2 Hout, L= /m 2 Hout, L-30 jaar /m 2 *) Bedrag gekapitaliseerd naar heden; restwaarde hout 30% reele rentevoet 5%

14 GORDING PEIL = " P BODEM 1.50" P 3.10" P d = 40 mm ( AZOBE ) 70 mm ( GEIHPREGNEERD GRENEN) 120 mm ( DUBBELZUDIG GEWAPEND BETON STALEN DAMWAND PROFIEL WENDEL Z145 d = 6 (Z.K. )....,. d = 5 [M.K ) Z.K - ZONDER M.K = MET KONSER VERING ALGEMENE DOORSNEDE AZOBE GORDING 200x200 GORDING BIJ GEW BETON GORDING GEIM. GRENEN SAMENGESTELDE 200 x 350 LIGGER EN STALEN DAMWAND 2 x CNP 180 DETAILS GORDINGEN FIG. 1

15 SPCRTtX X LQ ISO SWC HI _ PlATSTAAl 2H» li HE I v ^ ^ DOORSNEDE DUCDALF MET AZOBE BEKIEPINQ vomit» ui v» Kg mpmihg 2 BOUTIN M?t AANZICHT DUCDALF STAAL DOORSNEDE DUCDALF MET VERSTIJF DE PLAAT AANZICHT DUCDALF AZOBE DPORSNEDF DUCDALF MET KOKERPROFIELEN EN HAKORIT FIG. 2 BEKLEDING

16 FIG 3

17 HARDHOUTEN SLUISDEUR FIG. 4

18 STALEN SLUISDEUR FIG

19 BELASTINGSCHEMA GRONDKERENDE KONSTRUKTIE P=0.00 W S. = 5.00" P F stoot 4.50"P BODEM 10.00" P BELASTINGSCHEMA MEERSTOEL