Design af stålfiberarmerede betonelementer for Fjernvarmetunnelen i København

Transkript

1 Design af stålfiberarmerede betonelementer for Fjernvarmetunnelen i København Thomas Kasper (COWI A/S, tkas@cowi.dk) Oversigt Introduktion til projektet Stålfiberarmeret beton: Historie, forskning, egenskaber, anvendelse - Statiske beregninger - Holdbarhedsdesign Laboratorieforsøg Erfaringer på byggeplads Konklusion 1

2 Introduktion Fjernvarmetunnelprojekt Introduktion Fjernvarmetunnelprojekt Byggeherre: Københavns Energi Projektpartnere: COWI A/S, KFT JV (HOCHTIEF AG, MT Højgaard + underentreprenører), Dahme Baustoffe GmbH Berlin, IFT - International Fibre Technology Projektbudget: Anslået på DKK 75 Mio. inkl. rørinstallationer Design: Oktober 24 - Udførelse: September 25 (udgravning skakt Amagerværk) - Marts 29 (idriftsættelse af rørledninger i tunnellen) 2

3 Stålfiberarmeret beton Historie (fra Maidl 1995) 1874: Første patent for fiberarmeret beton (stålskrald), A. Berard i Californien 1918: Patent H. Alfsen Frankrig: lange stålfibre til at forøge betonens trækstyrken I de følgende år flere patenter (forskellige fibergeometrier og anvendelser) 1927: Patent G.C. Martin Californien (stålfiberarmerede røre) 1943 og 1954: G. Constantinescos patenter minder allerede om moderne stålfiberarmeret beton Stålfiberarmeret beton Forskning - Litteratur (med fokus på segment design) B. Maidl: Steel fibre reinforced concrete. Ernst & Sohn R.G.A. de Waal: Steel fibre reinforced tunnel segments. PhD thesis, Delft University A.G. Kooiman: Modelling steel fibre reinforced concrete for structural design. PhD thesis, Delft University 2. D. Dupont et al.: The use of steel fibres as splitting reinforcement in tunnel linings. WTC23 Proceedings. M.R. King: The design of steel fibre reinforced concrete segments. RETC Proceedings 25. E. Woods et al.: Steel fibre reinforced tunnel linings. RETC Proceeding 25. Plizzari et al.: Steel fibres as reinforcement for precast tunnel segments. WTC26 Proceedings. 3

4 Stålfiberarmeret beton Generelle egenskaber + Fibre giver betonen duktilitet (trækstyrke efter revnen) + Fibre øger bøjnings-bærevnet og impact resistance + Fibre hjælper at forhindre lokale skader (fibre = armering i alle retninger) + Fibre fordeler revner / formindsker revnevidder + God holdbarhed (kun æstetiske korrosionsproblemer) + Lave omkostninger Stålfiberarmeret beton Generelle egenskaber - Mix design, støbeteknik og kvalitetskontrol kræver særlig omhu og muligvis mange iterationer, flere laboratorieforsøg - Mindre træk- og bøjningsstyrke end beton med almindelig armering Eksempel: 3 cm tykke elementer Fjernvarmetunnel Capacities Pure tension Pure bending M-N interaction diagram SFRC 1: feq,ctk,ii =.6 kpa (35 kg/m 3 ) SFRC 2: feq,ctk,ii = 2. kpa RC 1: Ø 12 mm every 2 cm top & bottom, 5 cm cover (9 kg/m 3 ) N kn/m M knm/m Normal force (kn/m) SFRC 1 SFRC 2 RC 1 RC 2 RC 2: Ø 2 mm every 15 cm top & bottom, 5 cm cover (33 kg/m 3 ) Bending moment (knm/m) 4

5 Stålfiberarmeret beton Anvendelser (fra Maidl, 1995) Princip: Hvis der kun er behov for lav armeringsgrad bliver stålfiberarmeret beton uden sort armering interessant. Runde / næsten runde tunneler (sprøjtebeton og betonelementer): Tryk dominerer, ikke så stor bøjning Kørebanebelægninger, industrigulve Fundamenter Rørledninger Reparationer / forstærkninger af konstruktioner Stålfibre som tilsætning til almindelig armering forbedrer betonens egenskaber og bærevnet. Stålfiberarmeret beton Anvendelser Borede tunneller: Lesotho Highlands Water Project Sydafrika 1995: Test section 14 m, C45/55, 5 kg/m 3 fibre Baggage Handling Tunnel Heathrow Airport London 1995: 1.5 km, C4/5, 3 kg/m 3 fibre 2. Heinenoord Tunnel Holland 1999: Test section (16 rings), C55/67, 6 kg/m3 CTRL England 21-24: 2 x 2 km, C5/6, 35 kg/m 3 fibre, 1-15% billigere end traditionelt armerede elementer 5

6 Skema EPB-Tunnelboremaskine Elementer på byggepladsen Fjernvarmetunnel: Hvorfor stålfiberarmering? Projektudbud: Stålfiberarmeret beton som option HOCHTIEF AG: Gode erfaringer på CTRL projektet i England Færre skader af elementerne Kun æstetiske korrosionsproblemer, god holdbarhed Mindre produktionsomkostninger (kun 1/3 af armeringsomkostninger - materiale og forarbejdning) Mindre drift- og vedligeholdelsesomkostninger 6

7 Designbasis: Tysk anvisning "Stahlfaserbeton" (Deutscher Betonund Bautechnik-Verein DBV, 21) Betonspecifikation: Fiberbetonklasse Rumvægt (kn/m 3 ) E-modul E (MN/m 2 ) Poissontal (-) Trykstyrke f ck (MN/m 2 ) C5/6, F1.4/ Ækvivalent bøjningstrækstyrke deformationsniveau I f eq,ctk,i (MN/m 2 ) 1.4 Ækvivalent bøjningstrækstyrke deformationsniveau II f eq,ctk,ii (MN/m 2 ).6 Stålfibre DUOLOC 47/.8 35 kg/m 3 7

8 Arbejdskurver 4-punkt-bøjningstest: Ækvivalente bøjningstrækstyrker f eq,ctk,i og f eq,ctk,ii s f ct f ctk (SLS) f eq,ctk,i (SLS), f eq,ctd,i (ULS) f eq,ctk,ii (SLS), f eq,ctd,ii (ULS) 4.1 (mean value SLS) 1.4 (SLS),.89 (ULS).6 (SLS),.38 (ULS).1 e o / f oo 1 o / oo ct Produktion og transport - Ansvar hos Dahme Baustoffe, Berlin Lastsituation 1: Installation - Erektor Lastsituation 2: Installation - Installation af det første element Lastsituation 3: Installation - Pressekræfter Lastsituation 4: Vand- og jordtryk uden opvarmning i tunnelen Lastsituation 5: Vand- og jordtryk med opvarmning i tunnelen 8

9 Lastsituation 1: Håndtering af elementer med erektoren (Film) Vakuum-Erektor Lastsituation 1: Håndtering af elementer med erektoren F s = 89 kn F p = 32 kn Traditionel løsning 9

10 Lastsituation 1: Håndtering af elementer med erektoren F s = 89 kn F p = 32 kn Traditionel løsning Lastsituation 1: Håndtering af elementer med erektoren F s = 89 kn F p = 32 kn Problem 2. Heinenoord Tunnel, Holland 1

11 Lastsituation 2: Installation af det første element på toppen Lastsituation 2: Installation af det første element på toppen M = = 24 knm Z = D = 24 /.36 = 67 kn σ c =.67 /.16 =. 42 MPa ( 67 / ) kn R p = 2 = 136 Tests: min R p = 125 kn OK (Sikkerhed næsten 2) Håndregning: Forskyldningskapacitet også OK 11

12 Lastsituation 3: Installation - Pressekræfter maks. 133 kn F F F F Ikke et problem Lastsituation 3: Installation - Pressekræfter maks. 133 kn F F F F Stepping Svært at undgå revner også med almindelig armering 12

13 Lastsituation 4: Vand- og jordtryk uden opvarmning i tunnelen Numeriske modeller Lastsituation 4: Vand- og jordtryk uden opvarmning i tunnelen e f ct 1 e c2 e c2u e f c / o oo h 3/7 h C B e 1 f cd b A e 2 f eq,ctd,ii Verifikation 13

14 Lastsituation 4: Vand- og jordtryk uden opvarmning i tunnelen Normal force (kn/m) M-N interaction diagram deep section Bending moment (knm/m) Failure envelope M-N envelope E = 1.5 GPa M-N envelope E = 1 GPa Normal force M-N interaction diagram shallow section, low ground water level Bending moment Failure envelope M-N envelope E = 1.5 GPa M-N envelope E = 1 GPa Verifikation Lastsituation 4: Vand- og jordtryk uden opvarmning i tunnelen Spalteproblem ved samlinger R. Suter, K. Bergmeister: Tübbinge aus Stahlfaserbeton. Beton- und Stahlbetonbau 99, 24, D. Dupont, L. Vandewalle, O. Hemmy, E. Erden, B. Schnütgen: The use of steel fibres as splitting reinforcement in tunnel linings. In J. Saveur: (Re)Claiming the Underground Space, pp , Balkema Lisse,

15 Lastsituation 4: Vand- og jordtryk uden opvarmning i tunnelen Spalteproblem ved samlinger JOB TITLE : Fjernvarmetunnel FLAC (Version 5.).8 LEGEND 22-Mar-6 13:51 step E-1 <x< 6.5E E-1 <y< 8.75E-1.6 Boundary plot 2E -1 et_plastic.e+ 1.E-4 2.E-4 3.E-4 4.E-4 5.E-4 6.E-4 7.E-4 8.E Contour interval= 1.E-4. COWI A/S Denmark Revner i ULS, ingen revner SLS Lastsituation 5: Vand- og jordtryk med opvarmning i tunnelen JOB TITLE : Fjernvarmetunnel (*1^1) FLAC (Version 5.) LEGEND Mar-6 8:49 step Flow Time E+8 Thermal Time E E+1 <x< 2.667E E+1 <y< 2.667E+1 1. Boundary plot 1E 1. Flow vectors max vector = 4.55E-9 1E COWI A/S Denmark (*1^1) Vandstrømning omkring Fjernvarmetunnelen 15

16 Lastsituation 5: Vand- og jordtryk med opvarmning i tunnelen JOB TITLE : Fjernvarmetunnel (*1^1) FLAC (Version 5.) LEGEND Mar-6 8:49 step Flow Time E+8 Thermal Time E E+1 <x< 2.667E E+1 <y< 2.667E+1 1. Boundary plot 1E 1 Temperature 5.E+ 1.E+1 1.5E+1 2.E+1 2.5E+1 3.E+1 3.5E+1 4.E+1 4.5E+1 Contour interval= 5.E COWI A/S Denmark (*1^1) Temperaturfordeling omkring Fjernvarmetunnelen Lastsituation 5: Vand- og jordtryk med opvarmning i tunnelen JOB TITLE : Fjernvarmetunnel (*1^1) FLAC (Version 5.) LEGEND Mar-6 22:22 step Flow Time E+8 Thermal Time E E+1 <x< 2.667E E+1 <y< 2.667E+1 1. Boundary plot 1E 1 Temperature 5.E+ 1.E+1 1.5E+1 2.E+1 2.5E+1 3.E Contour interval= 5.E+ -2. COWI A/S Denmark (*1^1) Temperaturfordeling, som det ville være ved en permeabilitet k=1e-3 m/s 16

17 Lastsituation 5: Vand- og jordtryk med opvarmning i tunnelen JOB TITLE : Fjernvarmetunnel (*1^1) FLAC (Version 5.) LEGEND Mar-6 8:56 step Flow Time E+8 Thermal Time E E+1 <x< 2.667E E+1 <y< 2.667E+1 1. Boundary plot 1E 1 Temperature 7.5E+ 1.E E+1 1.5E E+1 2.E E+1 2.5E Contour interval= 2.5E+ -2. COWI A/S Denmark (*1^1) Temperaturfordeling, som det ville være ved stærk grundvandsstrømning 1 cm/dag Lastsituation 5: Vand- og jordtryk med opvarmning i tunnelen M-N interaction diagram deep section Normal force (kn/m) Failure envelope 1 M-N envelope E = 1.5 GPa -2 M-N envelope E = 1 GPa : min N / max M t = -6 2: min N / max M t = 5 years -8 3: max N / max M t = 5 years -1 Bending moment (knm/m) Verifikation 17

18 Lastsituation 5: Vand- og jordtryk med opvarmning i tunnelen Spalteproblem ved samlinger JOB TITLE : Fjernvarmetunnel FLAC (Version 5.).8 LEGEND 22-Mar-6 13:25 step E-1 <x< 6.5E E-1 <y< 8.75E-1.6 Boundary plot 2E -1 et_plastic.e+ 5.E-4 1.E-3 1.5E-3 2.E-3 2.5E-3 3.E Contour interval= 5.E-4. COWI A/S Denmark Revner i ULS, ingen revner SLS Holdbarhedsdesign Design-levetid 1 år (Krav: uden større reparationer) Problem: Høje temperaturer sammen med kloridholdigt grundvand (1-1.5 %) Opvarmning fra 1 til 5 grader accelerer klorids indtrængen med faktor 16, høj risiko for kloridinduceret korrosion og afskaldninger Elementer med sort armering ville kræve dæklag på omkring 8-1 cm, som giver risiko for betonafskaldning under installation Kun æstetiske korrosionsproblemer ved brug af stålfiberarmering (kun isoleret korrosion af enkelte fibre, der ikke fører til afskaldning) 18

19 Holdbarhedsdesign Ufarlig overfladisk fiberkorrosion Laboratorieforsøg Petrografi (mængde og fordeling af fibre) Wash-out tests (mængde af fibre) 4-punkt bøjningstests (bøjningstrækstyrke) Spalteforsøg (spaltetrækstyrke) Cylinder prøver (trykstyrke) 19

20 Erfaringer på byggeplads Skadestatistik Damage statistics No. of damages Cracks (key segments) Cracks (other segments) Water leakages Ring No. Erfaringer på byggeplads Skadestatistik Damage statistics No. of damages Cracks (key segments) Cracks (other segments) Water leakages Ring No. Fjernvarmetunnel (ringe 1-45): Revner ved hjørner 1.26 % Store revner igennem elementer 3 elementer ud af 27 Færre element skader i Fjernvarmetunnelen end sædvanligt, men flere end rapporteret fra CTRL England 2

21 Erfaringer på byggeplads Skadestatistik Damage statistics No. of damages Cracks (key segments) Cracks (other segments) Water leakages Ring No. Fjernvarmetunnel (ringe 1-45): Revner ved hjørner 1.26 % Store revner igennem elementer 3 elementer ud af 27 CTRL England (2 British construction industry awards): Minor damage, no repair needed 2.2 % Minor damage, controlled repair.3 % Major damage 1 element Erfaringer på byggeplads Damage statistics No. of damages Cracks (key segments) Cracks (other segments) Water leakages Ring No. Grout pressures (average values over each ring) Grout pressure (bar) Grout pressure pipe 1 Grout pressure pipe 2 Ring No. Grout volume over each ring Volume (l) Ring No. Volume grout pipe 1 Volume grout pipe 2 Volume accelerator pipe 1 Volume accelerator pipe 2 Tilfældighed eller sammenhæng? 21

22 Erfaringer på byggeplads Damage statistics No. of damages Cracks (key segments) Cracks (other segments) Water leakages Ring No. Thrust pressures (Average values over each ring) Thrust pressure (bar) Thrust group A Thrust group B Thrust group C Thrust group D Ring No. Tilfældighed eller sammenhæng? Konklusion Indtil nu gode erfaringer med stålfiberarmerede elementer i Fjernvarmetunnelen Kvalitet af arbejdet i tunnelen meget vigtigt (Ringbygning og TBMstyring) Under visse forhold er stålfiberarmeret beton en god teknisk og rentabel løsning God holdbarhed forventes Mindre drift- og vedligeholdelsesomkostninger forventes 22