GEWAPENDE GROND MET KUNSTSTOF EN BETON TOT EEN OPTIMALE OPLOSSING AAN DE N381

Transcriptie

1 42 PROJECT BEDRIJVENX GEWAPENDE GROND MET KUNSTSTOF EN BETON TOT EEN OPTIMALE OPLOSSING AAN DE N381 L. KULJANSKI Design Engineer Steeds vaker worden ingenieurs uitgedaagd om infrastructurele werken te realiseren waarbij hoge eisen worden gesteld aan ruimtegebruik. Veelal is bij de herinrichting van infrastructuur helemaal geen ruimte voorhanden om een natuurlijk talud te realiseren. Damwanden, buispalen en L-wanden zijn traditionele oplossingen voor het keren van grond. Sinds medio jaren 80 zijn in Nederland systemen beschikbaar waarbij keerwanden in grond gerealiseerd worden met enkel kunststof wapening. Deze gewapende grondconstructies worden steeds vaker ingezet als voordelig en duurzaam alternatief op staal en beton. De gewapende grondconstructie van kunstwerk (KW) 1600 in het project N381: tracé Venekoten - Drentse grens is een schoolvoorbeeld hoe een complex ontwerp tot uitvoering wordt gebracht. Tensar.indd :53:30

2 PROJECT BEDRIJVENX 43 Wand gemaakt uit betonnen panelen. 3D overzicht van de gewapende grondconstructie in het project N381 Tracé van de N381 tussen Drachten & Drenste grens HET PROJECTVOORBEELD De N381 loopt van Drachten naar de Drentse grens, door de gemeenten Opsterland, Heerenveen en Ooststellingwerf. De N381 Drachten - Drentse grens wordt omgevormd tot een stroomweg met een maximum snelheid van 100 km/uur. Daarbij zullen alle gelijkvloerse kruispunten, met bijvoorbeeld verkeerslichten, worden vervangen door ongelijkvloerse kruisingen met op- en afritten, tunnels en viaducten. Het hele project is verdeeld in 13 contracten waarbij Heijmans Intergrale Projecten het deel tussen Venekoten en de Drentse grens zal aanpassen. Het tracé dient eind zomer van 2015 opgeleverd te worden. Ter plaatse van KW 1600 kruist de N381 gelijkvloers met een lokale gebiedsontsluitingsweg Terwisscha. Deze kruising wordt aangepast tot een onderdoorgang waarbij de N381 onder de lokale weg gaat. Het beeldkwaliteitsplan voorziet in een wand uit betonnen panelen aan weerszijden van de onderdoorgang. Daarnaast zijn er enkele aanvullende eisen gesteld door de opdrachtgever (provincie Fryslân). Zo dient de wegverharding geheel vervangbaar te zijn, zonder dat de stabiliteit van de keerwanden aan weerszijden in het geding komt. Traditioneel zouden zware gewapende L-wanden toegepast kunnen worden om de grond aan weerszijden van de weg te keren. Deze dienen diep genoeg gefundeerd te zijn om vervanging van de wegverharding mogelijk te maken. Een andere mogelijkheid is het toepassen van zware damwanden of een buispalenwand met een betonnen schil er voor. Beide oplossingen zijn niet alleen prijzig, maar bieden ook de nodige uitdaging bij het keren van de brugoplegging over de onderdoorgang. Voor de aanpassing van de N381 heeft Heijmans al tijdens de inschrijving gerekend met de voordelen van een gewapende grondconstructie als grondkerend element. Na de gunning heeft Heijmans contact opgenomen met Tensar International en Ingenieursbureau Geologics om het concept-ontwerp concreter uit te werken. Tensar is de wereldwijde marktleider in de productie van kunststof geogrids voor civiele toepassingen. Tensar was dan ook het bedrijf dat het ontwerp en materialen leverde voor een van de eerste gewapende grondconstructie in Nederland. Sinds midden jaren 80 zijn dan ook honderden vergelijkbare constructies opgeleverd. Ingenieursbureau Geologics is gespecialiseerd in het verzorgen van uitgekiende ontwerpen en advisering rondom alle civieltechnische GEWAPENDE GROND De steilheid van een talud wordt begrensd door de natuurlijke hoek van inwendige wrijving van het ophoogmateriaal. Indien een steilere helling gewenst is zoals 84 met de horizontaal (10:1) bij dit project dienen maatregelen keerelementen. Door kunststof wapeningslagen in de grond op te nemen, kan het grondmassief aanzienlijke grotere schuifspanningen opnemen waardoor enerzijds verhinderd wordt dat het massief bezwijkt door afschuiving en anderzijds de vervorming van het massief wordt beperkt. Indien voldoende en afdoende sterke lagen wapening worden aangebracht, kan het massief tot volledig verticaal (90 ) opgebouwd worden. Gewapende grond lijkt enigszins op gewapend beton: gewapende grond kan worden opgevat als een samengesteld materiaal met verbeterde eigenschappen, in het bijzonder ten aanzien van trek- en schuifspanning. De gewapende grondconstructie wordt opgebouwd door afwisselend Tensar.indd :53:31

3 44 BEDRIJVEN 3D aanzicht van een landhoofd. Doorsnede ten opzichte van een landhoofd. lagen zand en kunststof geogrid wapening aan te brengen. Er zijn veel soorten polymeren die als wapening gebruikt worden, maar voor grondwapening zijn polymeren nodig met een gering kruipgedrag zoals bijvoorbeeld PET (polyester) en HDPE (hoge dichtheid polyethyleen). Het zand dient goed verdicht te worden om de interne spanningen over te kunnen dragen op de wapening. Mogelijk wegdrukken van zand aan de voorkant van het massief wordt voorkomen door de wapeningslaag naar boven om te slaan en in de bovenliggende laag te verankeren. Het zand wordt met behulp van deze omslagmethode ingepakt in de kering. Het verdichten van het zand in de omslag is enkel mogelijk met behulp van een tijdelijke bekisting. Alternatief kan gekozen worden voor een afwerking met bijvoorbeeld betonblokken, draadgaaspanelen of schanskorven. Omdat dergelijke gewapende grondconstructies een levensduur van 120 jaar hebben is inpassing mogelijk met alle civieltechnische constructies Binnen het kader van KW 1600 is door design engineer Leo Kuljanski van Tensar een uitwerking voorgesteld waarbij de grondkering wordt gewaarborgd door laagsgewijs Tensar uni-axiaal gestrekte geogrids aan te brengen. De afwerking vindt plaats in de vorm van geprefabriceerde betonelementen waarbij stukjes Tensar geogrid op de juiste hoogtes zijn ingestort. Bij het opbouwen van het complete systeem kunnen de constructieve lagen geogrids aan de geogrids in de betonpanelen vastgemaakt worden middels een kunststof steekstaaf. Het betonpaneel dient primair als esthetische afwerking en fungeert tevens als bekisting om het aanvulzand goed te kunnen verdichten. Het paneel wordt doorgaans niet geacht bij te dragen aan de stabiliteit van de gewapende grondconstructie. De staalwapening in het betonpaneel is door Wagemaker enkel gedimensioneerd om transport en hijsen mogelijk te maken. Naast de constructieve berekeningen van de betonpanelen en overige betonnen elementen, heeft Wagemaker ook de 3D tekeningen voor de gen in dit artikel). Het betonpaneel wordt gefundeerd op enkele lagen geogridwapening die middels de eerder genoemde omslagmethode circa anderhalve meter onder gepland wegniveau worden opgebouwd. Op deze manier kan de wegconstructie in de toekomst vervangen worden zonder risico dat de stabiliteit van de grondkering in het geding komt. De twee landhoofden van de kruisende brug worden direct op de gewapende grondconstructie gefundeerd (op staal). Projectleider Bart Niezen van Heijmans heeft aan de hand van het Tensar voorstel de opdracht verleend aan Ingenieursbureau Geologics om het voorstel met de in betonpaneel geïntegreerde geogridwapening uit te ringsontwerp. Geologics heeft de taak op zich genomen om het complexe ontwerp volledig uit te werken. De CUR publicatie 198: Kerende constructies in gewapende grond taludhellingen steiler dan 70 is de Nederlandse richtlijn voor het dimensioneren van gewapende grondconstructies. De CUR 198 beschrijft de benodigde controles die uitgevoerd dienen te worden om de externe en interne stabiliteit van een gewapende grondconstructie te waarborgen. Tensar.indd :53:32

4 BEDRIJVEN 45 Externe stabiliteitscontrole: drie faalmechanismen van gewapende grondconstructies wapening. EXTERNE STABILITEIT De controle op externe stabiliteit bepaalt de uiteindelijke lengte van de geogrid wapening. Binnen het gehanteerde model wordt de gewapende grondconstructie als monoliet beschouwd waarbij het gewapende blok als geheel stabiel dient te zijn. Er worden drie faalmechanismen beschouwd: glijden, draagkracht en diepe glijcirkels. Daarbij wordt verondersteld dat de gronddruk en externe belastingen achter het gewapend grondmassief resulteren in een De controle van de wapeningslaag op globale stabiliteit. horizontale kracht op het gewapend grondmassief. Deze horizontale kracht dient door wrijving tussen het onderste geogrid en de ondergrond opgenomen te worden. Bij KW 1600 bestaat het aanvulmateriaal en ondergrond uit zand, waardoor deze controle niet maatgevend blijkt te zijn. De controle op draagkracht gebeurt op basis van de optredende verticale krachten op en uit het gewapend grondmassief. Daarbij wordt de welbekende Prandtl vergelijking toegepast voor het beschouwen van de draagvermogen van de ondergrond. Bij het sommeren van de verticale en horizontale krachten speelt de excentriciteit een grote rol. Met een stevige ondergrond van zand, een diepe grondwaterstand en geen buitengewone externe belasting kan de gridlengte beperkt blijven tot 0,6 à 0,7 maal de kerende hoogte, wat het geval is ter plaatsen van de meeste panelen in KW Echter, ter plaatsen van het landhoofd zijn de verticale krachten dusdanig groot, dat de wapeningslengte verhoogt moet worden naar 1,26 maal de kerende hoogte om de stabiliteit te waarborgen. De dieper gelegen glijcirkels worden beschouwd conform de theorie van Bischop waarbij ook de glijcirkels door het gewapend grondmassief gecontroleerd worden. Dankzij de aanwezigheid van een dikke zandlaag onder KW 1600 bleken de diepe glijcirkels niet maatgevend. Glijcirkels in het gewapend grondmassief naderden wel- GEO GEO < 1,00) Tensar.indd :53:32

5 46 BEDRIJVEN Controle op vervorming. INTERNE STABILITEIT De controles op de interne stabiliteit bepalen de sterkte en laagafstand van de benodigde geogrid wapening. Naast enkele uitzonderingen worden wereldwijd twee modellen toegepast om de interne stabiliteit te beschouwen; de tie-back wedge en two-part wedge methode. De CUR 198 is gebaseerd op de tie-back wedge methode waarbij alle optredende belastingen worden omgerekend naar een horizontale kracht. Hiermee wordt per laag geogrids gecontroleerd of de wapening sterk genoeg is. Bij gebrek aan trekkracht in de wapeningslaag kan gekozen worden voor een sterker geogrid of geringere verticale tussenafstand. Naast de controle op de treksterkte, dient ook niet uit de passieve zone in de grond getrokken kunnen worden. Indien de wapeningslengte korter is gekozen dan 0,6 à 0,7 maal de kerende hoogte, wordt de kans op uittrekken van de bovenste lagen wapening maatgevend. Ten slotte dient op elke wapeningslaag een controle op de globale stabiliteit uitgevoerd te worden. Daarbij wordt verondersteld dat zich rechte glijvlakken kunnen vormen waarlangs een moot grond naar beneden kan zakken. De controle vindt plaats door het vormen van een krachtenveelhoek waarbij alle mogelijke hoeken van het glijvlak worden beschouwd. Mogelijke glijvlakken tussen twee wapeningslagen en direct over een wapeningslaag dienen ook beschouwd te worden. VERVORMINGEN De voorgaande controles maken allen onderdeel uit van de beschouwing op het niveau van uiterste grenstoestand of UGT. De bruikbaarheid grenstoestand BGT dient ook beschouwd te worden. De CUR 198 stelt geen eisen aan de maximale zetting van het systeem. Wel zijn er eisen gesteld aan het zettingsverschil dat in het vlak van de bekleding kan worden opgenomen. Hoe harder de bekleding hoe geringer het zettingsgradiënt mag zijn. De verwachte zettingen en zettingsverschillen kunnen dan ook met de in Nederland gangbare methoden beschouwd worden. De CUR 198 stelt ook eisen voor de maximale vervorming van een gewapend grondmassief gedurende de gebruiksduur. Volgens de eisen in CUR 198 is de toegestane rek na oplevering van de gewapende grondconstructie 1% gedurende de levensduur van de constructie. Bij landhoofden is deze eis strenger BETROKKEN PARTIJEN Provincie Fryslân Heijmans Wagemaker Geologics Tensar Romein Beton Tensar.indd :53:35

6 BEDRIJVEN 47 en bedraagt de toegestane rek 0,5%. De theoretische vervormingen kunnen worden bepaald aan de hand van het Ka-model. Daarbij wordt de horizontale spanning in de wapeningslaag bepaald door de optredende verticale spanning te vermenigvuldigen met de gemiddelde spanningsdistributie op de wapeningslaag. De verhouding tussen de berekende horizontale kracht en de toegestane treksterkte van het geogrid bij een theoretische rek van 1% of 0,5% (landhoofden) geeft de optredende vervorming. REKENWAARDE VAN DE GEOGRID WAPENING De ontwerptreksterkte van de kunststof geogrid wapening is niet gelijk aan de kwaliteitscontrole sterkte. De wapening dient getoetst te worden op de lange duur treksterkte waarbij rekening is gehouden met de kruip van de wapening. Deze treksterkte dient vervolgens gereduceerd te worden met reductiefactoren voor; productieonzekerheden, inbouwschade, weersinvloeden, chemische aantasting en een veiligheidsfac- uitstekende kwaliteit van de Tensar geogrid wapening is de som van deze reductiefactoren voor de gebruikte RE geogrid wapening 1,00 op Momenteel worden door Romein Beton de betonpanelen gemaakt voor de aanleg van kunstwerk 1600 in de N381. Eind mei 2015 start Heijmans met de aanleg van de het gedeelte van de gewapende grondconstructie dat de panelen moet dragen. Begin juni 2015 volgt het plaatsen van de betonpanelen en het verder opbouwen van de gewapende grondconstructie Het dimensioneren van een gewapende grondconstructie kent vele complexe stappen en Daar staat tegenover dat de constructie eenvoudig en snel opgebouwd kan worden. Gecombineerd met het feit dat de benodigde kunststof wapeningslagen vele malen goedkoper zijn dan zware stalen damwanden of betonnen elementen, kiezen opdrachtgevers en aannemers net als bij de N381 steeds vaker voor de oplossing in gewapende grond. Steil talud of keerwand met verschillende facings Aanwezige materialen beperken transportkosten en CO2 Geogrid gewapende grond op basis van gedegen ontwerp Lagere kosten + meer ruimte + milieuvoordelen = Tensar International bv Helftheuvelweg 11, 5222 AV s-hertogenbosch Tel Fax info@tensar.nl Tensar.indd :53:36