SkemaA Skematilbeskrivelseafforsknings ogudviklingsaktiviteter Aktivitet Bæredygtiginfrastruktur teknologitilbroer,vejeog tunneler Byggeri Aktivitetsområde nr.f2 Formålogmålgruppe Øgede krav til levetid og produktivitet kombineret med krav om færre omkostninger til vedligehold og bæredygtige materialer og arbejdsprocesser sætter nye dagsordner inden for brobygning og store infrastrukturprojekter. Ovennævnte problematikker er aktualiserede af samfundets store udfordringer i det kommende årti med anlæg af ny og vedligehold af den eksisterende infrastruktur. Behov og erhvervsmæssig relevans Det drejer sig blandt andet om den vedtagne Femern-forbindelse, Metrocityringen, letbanen i Århus samt Vejdirektoratets og Banedanmarks udfordringer i de kommende år med anlæg og vedligehold af vej- og banebroer. Der findes i alt ca. 4.000 broer i Danmark med en gennemsnitsalder på 50-60 år, hvoraf de ældste er 150 år. Banedanmark skal i løbet af den næste syv års periode bruge 2,5 mia. kr. på reparation og vedligehold. I forbindelse med regeringens trafikaftale i 2009 blev der afsat 250 mio. kr. ekstra til Vejdirektoratets broer og veje ud over, hvad der i forvejen var afsat på finansloven. Aktivitetsplanen har følgende relation til BedreInnovation.dk Ny teknologi i den fysiske infrastruktur Automatiseret tilstandsundersøgelser af vanskeligt tilgængelige F Infrastruktur infrastrukturelementer R Miljøteknologier Tilstandsmonitering af kritiske stål- og betoninfrastrukturelementer LCA/LCM: Life Cycle Assessment/Life Cycle Management til sikring af optimal udnyttelse af energi- og råstoffer, herunder genanvendelse R Vækst Byggematerialer og -komponenter med større værdindhold og funktionalitet (F: Fokus R: Relation) Formål Formålet med aktivitetsplanen er at udvikle nye teknologier til den fysiske infrastruktur, blandt andet veje, broer og tunneler, der sikrer ekstrem holdbarhed, vedligeholdelseslethed, øget produktivitet og multifunktionalitet tænkt sammen i bæredygtige løsninger. Det omfatter blandt andet udvikling af betoner med ekstrem holdbarhed og med nye funktionaliteter, nye materialer og udførelsesmetoder og nye anvendelser af beton i infrastrukturen. Målgruppe Den primære målgruppe for aktiviteten er planlæggere og udførende af broer og andre anlægskonstruktioner, hvilket vil sige rådgivende ingeniørfirmaer, entreprenører, leverandører og bygherrer. Blandt de udførende er mange små og mellemstore rådgivere og entreprenører, der typisk indgår som underleverandører til de store, og som derfor har behov for en løbende opkvalificering
til de store krav, som sættes af de store aktører. Vi forventer, at aktiviteten vil medføre en radikalt forøget produktivitet i reparation, vedligehold og nyanlæg, som følge af denne opkvalificering, og at der kan produceres nyanlæg med markant større holdbarhed på omkring 150 år, samtidig med større funktionalitet og oplevelseseffekt i infrastrukturen. Instituttet er i konstant dialog med målgruppen om de fremtidige behov via udviklings- og kundeopgaver, som det også fremgår af diskussionen på www.bedreinnovation.dk. Forventet effekt Potentialet for målgruppen og samfundet er signifikante økonomiske besparelser i en livscyklusbetragtning. Dette kommer fra gode tekniske løsninger i anlægsfasen, der minimerer behov for og omkostninger til drift, vedligehold og reparation. Alene for broers vedkommende vil der kunne realiseres besparelser på 15% til vedligehold, hvilket skønnes at svare til ca. 2-300 mio. kr. årligt. Samtidig kan danske virksomheder være på forkant med at tænke bæredygtighed ind i disse leverancer, hvilket utvivlsomt vil være et konkurrenceparameter i forbindelse med udbud af store infrastrukturprojekter på sigt. Aktivitetsplanens indhold For de små og mellemstore entreprenører, leverandører og rådgivere vil den teknologiske opkvalificering betyde, at de kan få del i de mange, fremtidige opgaver i forbindelse med den fysiske infrastruktur, og hermed sikres disses økonomiske overlevelse og også mange tusinder af danske arbejdspladser. Alternativt vil opgaverne gå til udenlandske firmaer. Aktivitetsplanen er opdelt i tre hovedgrupper af aktiviteter, hvor den første vedrører nye materialer med fokus på holdbarhed og bæredygtighed, den anden teknologi til produktionsfasen med fokus på at øge produktiviteten i byggefasen og den tredje nye funktionaliteter indbygget i betonen. For alle aktiviteter gælder, at der vil være resultater, der kan komme alle led i værdikæden i byggeriet til gavn, og det vil være relevant med samarbejdspartnere fra alle led i værdikæden. Dog vil nye materialer især være rettet imod rådgiver/bygherrreledet og teknologi til produktionsfasen mod leverandør-/entreprenørleddet. Et fællestræk for alle aktiviteter vil være, at de er målrettet teknologiudvikling til de små og mellemstore virksomheder. De store virksomheders rolle, herunder bygherrernes rolle, vil primært være som kravstiller til og indkøber af teknologi hos de små og mellemstore virksomheder. Samtidig vil Instituttet via sine aktiviteter med at bistå de store aktører med de nyeste teknologier kunne påvirke kravene i gunstig retning i forhold til de danske aktører. Nye materialer Udvikling af metoder (materialesammensætning og udførelsesteknikker) til at opnå en tæt og revnefri interfacezone ved afstandsholdere til armeringsjern. Erfaringerne fra større anlægsprojekter som Storebæltsforbindelsen og Malmø Citytunnel har vist, at det ikke er muligt med nuværende teknologi at opfylde kravene. Teoretiske og eksperimentelle undersøgelser for at skaffe eksakt viden om sammenhængen mellem revnevidde, indtrængning af chlorider og risiko for armeringskorrosion. Resultaterne vil blandt andet være en opgradering af holdbarhedsmodeller og nye udførelsesvejledninger. Afklaring af om anvendelse af bakterier til biologisk selvheling af revner er en praktisk realiserbar teknologi. Aktiviteten vil indeholde eksperimentel afklaring i laboratoriet. Hypotesen er, at bakterierne aktiveres gennem solenergi og organiske materialer og danner calcit, der virker he-
lende på revner. Dette vil ske i samarbejde med Delft Universitet i Holland, der som de første i verden har arbejdet med denne nye, banebrydende teknologi. Dokumentation af langtidsholdbarheden af nye cementtyper med reducerede CO 2 -emissioner og nye supplerende puzzolanske materialer. Øgede krav til bæredygtighed har presset udvikling af nye cementtyper og anvendelse af nye supplerende puzzolanske materialer, hvor langtidsholdbarheden blandt andet over for sulfatangreb kræver forskning og dokumentation for, at det vil være sikkert at anvende disse til ekstremt påvirkede konstruktioner, fx i havmiljø. Udvikling af betontyper med særlig god tæthed og robusthed, så der kan køres direkte på disse, og den dyre asfalt og fugtisolering kan undværes. Aktiviteten inkluderer desuden dokumentationsforsøg og undersøgelser på broer, der på eksperimentel vis er udført uden asfalt og fugtisolering samt nye demonstrationsforsøg. Hertil kommer en økonomisk og arbejdsmiljømæssig evaluering af den totale løsning ud fra en livscyklusbetragtning. Problemafklaring af fænomenet vagabonderende strømme og udvikling af løsninger til at modvirke dette. Vagabonderende strømme er en nedbrydningsmekanisme, der er blevet identificeret i konstruktioner i nærheden af elektrificerede anlæg og giver anledning til korrosion af armeringsstålet i beton og af stålkonstruktioner. Teknologispring i produktionsfasen Udvikling af nye armeringssystemer til at optage trækkræfter i betonkonstruktioner, som forbedrer arbejdsmiljø, øger produktiviteten og kan være med til at øge holdbarheden ved at mindske risiko for armeringskorrosion, når den traditionelle stålarmering helt eller delvist afløses af fibre, tekstiler eller kulfiberarmering. Aktiviteten har fokus på de udførelsesmæssige forhold og produktionsmetoder, men også udvikling af nye designmetoder og revision af eksisterende vil være indeholdt. Udvikling af teknologier til at anvende selvkompakterende beton til anlægskonstruktioner, hvor der er specielle udfordringer. Fremtidens nye betontype, selvkompakterende beton, der kan udstøbes uden vibrering med deraf følgende øget produktivitet og forbedret arbejdsmiljø, er med succes implementeret i Danmark efter udviklingsarbejde på Teknologisk Institut i samarbejde med industrien. Der er fortsat specielle udfordringer, der skal løses, for at kunne bruge selvkompakterende beton til større infrastrukturprojekter. Det gælder forhold som fx at kunne støbe med hældning og reducere formtrykket mod støbeformen. Aktiviteten inkluderer undersøgelser af kombinationen af tilsætningsstofferne og skræddersyede rheologiske egenskaber ud fra CFD-modeller. Udvikling af videnskabeligt baserede byggepladsacceptmetoder og specielle udfordringer med formfyldningsmodeller, når der iblandes fibre. Hertil kommer anvendelse og modificering af nye kemiske tilsætningsstoffer til at reducere svind i beton og dermed mindske risikoen for revnedannelse. Der skal udføres beregninger af potentialet, både med henblik på at optimere betonens sammensætning og give input til kravspecifikationer til modificering af tilsætningsstoffet. Desuden skal der udvikles beregningsmetoder til at optimere udstøbningsprocessen herunder antallet af dilatationsfuger og curing. Endelig skal mulighederne for at nedsætte diffusionshastigheder af ioner i beton og mulighederne for at øge vandtætning og viskositets-/formtryksmodificering skal også undersøges og kortlægges.
Nye funktionaliteter Der er desuden mulighed for nye funktionaliteter i kraft af betonens unikke produktionsproces, hvor materialer blandes sammen og hærder blandt andet ved indblanding af forskellige materialer, hvoraf nogle virker under indflydelse af betonens tilstand og ved udnyttelse af kemiske reaktioner under brugen/hærdningen. Udvikling af fx autoværn og støjskærme, der både har ekstrem holdbarhed over for kemiske og mekaniske nedbrydningsmekanismer og samtidig har en ekstra funktionalitet med fx indbygget skiltning via lyslederkabler og øget oplevelseseffekt ved hjælp af specialdesignede og producerede 3D-overfladegeometrier, som kan anvendes som informationsplatform til trafikanterne. Udvikling af vedligeholdelseslette overflader ved hjælp af titiandioxid, coatings og skræddersyet mikrostruktur, der også kan virke forureningsbekæmpende ved at suge NO x og CO 2. Materialeoptimering af betoner sker ved at indblande plasttilslag, tekstiler og fibre i den stærke og langtidsholdbare matrix for at kunne give stærkere og støjsvage veje og broer, hvor der køres direkte på betonen. Der arbejdes med kompositmaterialemodeller, afprøvning i laboratorium og i fuld skala. Udvikling af det rette betonmixdesign sker ud fra teoridannelse om, hvad der sker med en given matrix under tryk og vacuum og skræddersyning af denne ud fra krav til optimal injection moulding. Anvendelsen er fx præfabrikerede motorvejsbroer. Der forventes udført prototypeforsøg til dokumentation. Teknologisk Instituts rolle Det mest anvendte materiale til den fysiske infrastruktur er beton, og Teknologisk Institut har Danmarks største videncenter inden for beton, der samarbejder med virksomheder og universiteter nationalt og internationalt. Med de kommende års investeringer i infrastrukturen vil det være et behov i byggebranchen for ny og opdateret viden om nye teknologier, og det vil være naturligt, at Teknologisk Institut tager disse udfordringer op i et samarbejde med virksomheder og andre videncentre. Der er et stort ønske fra bygherrer og rådgivere om dette, jf. to kommentarer fra Vejdirektoratet og fire kommentarer fra COWI på www.bedreinnovation.dk under bæredygtig infrastruktur. Samarbejdspartnere Teknologisk Instituts betoncenter har et omfattende samarbejde med et stort antal små og mellemstore entreprenører, rådgivere og leverandører inden for anlægsområdet, og har derfor unik mulighed for effektiv videnoverførsel til dette segment. Teknologisk Institut har også et tæt samarbejde i form af kundeopgaver og FoU-samarbejder med virksomheder og førende videncentre i og uden for Danmark. Hertil kommer øget samarbejde med udenlandske videncentre og universiteter for at hjemtage viden. Den primære udenlandske samarbejdspartner vil være TNO i Holland, der har en stærk infrastrukturafdeling med verdensklasse forskning og samarbejde med industrien. Deres kernekompetencer inkluderer risikoanalysemodeller, statiske beregninger og service-life-modeller
og er dermed komplementære til Instituttets kernekompetencer inden for betonteknologi, udførelse og monitering. Andre samarbejdspartnere vil være Chalmers i Sverige, Delft University i Holland og Dresden University i Tyskland. Inden for avanceret cementkemi og holdarbejdsmekanismer vil der ske samarbejde med det europæiske forskningsnetværk, Nanocem, hvor 80% af den europæiske cementindustri samt førende europæiske universiteter og videncentre deltager. Kommende ydelser Der forudses følgende nye ydelser inden for hjælp til entreprenører og leverandører: Hjælp til indretning og indkøring af on-site, midlertidigt laboratorium til produktionsprøvning. Hjælp til at efterleve krav og specifikationer stillet i forbindelse med produktion og udførelse med den nye betontype, selvkompakterende beton, herunder de rette mixdesigns, gennemføre den rette udførelses- og modtagekontrol og planlægge og gennemføre fejlfri støbninger. Indkøring af recepter og udførelsesmetoder på Teknologisk Instituts højteknologiske betonværksted, hvor der kan blandes og udstøbes beton i fuld skala under kontrollerede forhold. Skræddersyede praktikkurser i mixdesign og udførelse med beton gennemført på Teknologisk Instituts højteknologiske betonværksted, hvor der kan blandes og udstøbes beton i fuld skala under kontrollerede forhold. Til rådgivere og bygherrer vil der udvikles ydelser inden for: Input til specifikationer vedrørende selvkompakterende beton, der er en ny betontype til anvendelse i anlægskonstruktioner, der kræver, at der udvikles helt specielle krav. Input til specifikationer vedrørende helt nye holdbarhedsmekanismer, som kan resultere i, at der skal stilles helt nye krav, og at holdbarhedsmodeller skal justeres. Nye designmodeller for anvendelse af fibre og/eller nye armeringstyper og -systemer. Opbygning og vedligehold af eksponeringssites med henblik på at gennemføre langtidsholdbarhedsforsøg for at udvikle, kalibrere og justere holdbarhedsmodeller for nedbrydningsmekanismer for beton. Udvikling af kursusprogrammer eventuelt med eksamen/certifikat, som bygherren vil gøre obligatorisk for de udførende. Koordineringog samspilmedandre Hertil kommer de ydelser, som Teknologisk Institut i forvejen tilbyder, men som vil være opdateret med ny viden opbygget i aktivitetsplanen. Det drejer sig om evaluering af specifikationer, valg og dokumentation af delmaterialer og mixdesigns, planlægning og gennemførelse af forprøvning og produktionsprøvning, bæreevneforsøg af komplicerede konstruktionsudformninger, planlægning af hærdeforløbet inklusive test af inputparametre og monitering af temperaturudvikling og problemløsning til entreprenører. Hertil kommer input til specifikationer vedrørende materialer, mixdesign og udførelse, dokumentation af viden om nye materialetyper og mixdesigns og disses indflydelse på holdbarheden til bygherrer og rådgivere. Nærværende aktivitetsplan koordineres med FORCE Technologys resultatkontrakt inden for infrastruktur, fordi FORCE Technologys kontrakt har sit
FoU aktiviteter primære fokus på stålkonstruktioner, mens Teknologisk Institut har sit primære fokus på betonkonstruktioner. Aktiviteten koordineres som minimum med følgende eksternt finansierede FoU-aktiviteter: EU-projekt Tailorcrete (bevilget og påbegyndt medio 2009). Innovationskonsortiet Sensobyg (igangværende og afsluttes 2010). Innovationskonsortiet Stålfiberbetonkonsortiet (ansøgt 2009). I TailorCrete arbejdes med anvendelse af selvkompakterende beton og fiberbeton og nye armeringssystemer til anvendelse i geometrisk udfordrende unikke betonkonstruktioner primært til byggeriet og altså ikke til anlægskonstruktioner. Der vil således ske en koordinering af de generiske teknologier forbundet med selvkompakterende beton og fiberbeton, og i denne aktivitetsplan vil de særlige udfordringer, der er forbundet med anvendelse i anlægs konstruktioner, være i fokus. Innovationskonsortiet Sensobyg, der afsluttes 2010, har leveret et proof-ofconcept med hensyn til anvendelse af trådløse fugtsensorer og tilhørende beslutningsstøtte til forskellige anvendelser i byggeriet. Resultaterne af dette innovationskonsortium vil blive anvendt efter behov, men der vil ikke ske videre udvikling af teknologien i nærværende aktivitetsplan. Formidlings og spredningseffekt Herudover forventes gennemført et antal nationale og internationale FoUprojekter i strategiperioden blandt andet inden for kalkproducerende bakterier i beton. Resultaterne af nærværende aktiviteter forventes som minimum at tilgå bygherre, rådgiver og entreprenørsiden vedrørende Femern-forbindelsen, Vejdirektoratets og Banedanmarks renoveringer og nye anlæg samt Metro City Ringen. Dette sker via FoU-samarbejde, kundeopgaver og formidling som beskrevet nedenfor. I alt 300 SMV forventes at blive nået på denne måde. Formidlingen sker desuden på følgende måder: Via kundeopgaver for målgruppen. Via deltagelse i standardiseringsarbejde, herunder vejregelarbejdet for Vejdirektoratet og bidrag til specifikationer for de store broprojekter. Indlæg på Brodagen og Dansk Betondag, som normalt tiltrækker ca. 200 personer fra målgruppen. Eksisterende og nye erfagrupper, blandt andet den nyetablerede gruppe for korrosion. Demonstrationsprojekter. Kurser. FoU-projekter, hvor også SMV er tilknyttet. Ca. 10 videnskabelige artikler. Ca. 50 omtaler i fagtidsskrifter. CentralekompetencerinvolveretiFoU projektet Navn Stilling Uddannelse Erhvervs- Ansættelse Tidligere ansættelser erfaring hos TI Mette Glavind Centerchef Civilingeniør, 17 år 17 år Ingen Henrik E. Sørensen Teamleder ph.d. Civilingeniør, ph.d. 21 år 4 år FORCE Technology, AEC Rådgivende Ingeniører A/S,
Dorthe Mathiesen Teamleder Akademiingeniør, bygning Tine Aarre Teamleder Civilingeniør, ph.d. Claus V. Nielsen Seniorkonsulent Civilingeniør, ph.d. Milepæle2010 13 år 11 år Dansk Beton Teknik A/S 20 år 4 år Dansk Beton Teknik A/S 17 år 7 år Carl Bro Rådgivende Ingeniører A/S, Nye materialer Kravspecifikationer defineret i samarbejde med blandt andet Vejdirektoratet vedrørende erstatning af asfalt og fugtisolering med rene betonløsninger. Erfaringsopsamling og evaluering af tilstanden af eksisterende bro med cement/pulversammensætning med reduceret CO 2- emission. Forskningsprogram vedrørende sulfatangreb på nye betonbroer formuleret og reviewet af forskningsnetværket Nanocem. Teknologispring i produktionsfasen Nationalt FoU-projekt vedrørende stålfiberbeton initieret. Input til specifikationer for større anlægsprojekter for anvendelse af selvkompakterende beton til anlægskonstruktioner, herunder anvendelse af internationale erfaringer. Bruttoliste over relevante armeringsløsninger og deres fordele og ulemper. Dette inkluderer traditionel stålarmering, afarter af dette, fibre og nye armeringstyper som kulfiberarmering, tekstilarmering samt kombinationer af disse. Nye funktionaliteter Indledende vurdering af muligheder med nye teknologier som lyslederkabler, coatings, tekstiler m.m. sammenholdt med brugerkrav til støjsvaghed, isafvisning, vedligeholdelseslethed m.m. og udpegning af de teknisk og kommercielt mest lovende. Milepæle2011 Videnspredning Mindst et internationalt foredrag, mindst en artikel i internationalt tidsskrift og mindst fem danske videnformidlingsaktiviteter. Nye materialer Hypoteser formuleret vedrørende sammenhæng mellem revnevidde og risiko for korrosion og den specielle problemstilling med interfacezonen ved afstandsholdere til armeringsjern. International videnhjemtagning gennemført vedrørende anvendelse af bakterier til selvheling i beton, herunder afklaring af potentiale og beslutning om der skal arbejdes videre med teknologien eller ej. Teknologispring i produktionsfasen Designgrundlag udvalgt til brug for fiberarmeret beton (fra innovationskonsortiet vedrørende stålfiberarmering i beton). Sammenhæng mellem fiberorientering og -fordeling og numeriske simuleringer af strømningsforløb er identificeret. Nye funktionaliteter Prototyper fremstillet af beton med lyslederkabler. Screening af teknologier til at producere støjsvage betonveje ved hjælp af tilsætning af plasttilslag, tekstiler, fibre m.m. og udvælgelse af de mest lovende teknologier. Kravspecifikationer defineret vedrørende funktionalisering af betonoverflader med henblik på at skabe selvrensning og/eller
isafvisning. Milepæle2012 Videnspredning Afholdelse af mindst tre kurser. Indlæg på enten Dansk Betondag eller Brodagen. Initiering af mindst et FoU-projekt med deltagelse af SMV. Nye materialer Klarlægning af mekanisme for vagabonderende strømme, herunder afklaring af problemets omfang og mulige løsninger. Oversigt over hvilke nye cementtyper og puzzolanske materialer, der kan finde anvendelse til ekstremt påvirkede konstruktioner, som eksempelvis kystbroer. Færdigt koncept udviklet for broer uden asfalt og fugtisolering med henblik på gennemførelse af et demonstrationsprojekt. Teknologispring i produktionsfasen Materialemodel for stålfiberarmeret selvkompaktererende beton er udviklet. Den primære del hentes fra innovationskonsortiet vedrørende stålfiberarmering og suppleret med modellering af udstøbning af beton med hældning fx til kantbjælker på broer. Metoder til bestemmelse af konsistens i betonblanderen er udviklet. Oversigt over muligheder med nye kemiske tilsætningsstoffer til at give svindreduktion, selvheling og forureningsbekæmpning. Nye funktionaliteter Første generation injection moulding -teknologi udviklet og afprøvet. Demonstration af teknologi til at give nye funktionaliteter i beton anvendt til infrastrukturen, herunder veje, broer og tunneler. Videnspredning Mindst et demonstrationsprojekt gennemført. Initiering af et EU-projekt. Mindst fem danske eller internationale foredrag og/eller artikler.