Design af stålfiberarmerede betonelementer for

1

# Stålfiberarmerede betonelementer Fjernvarmetunnel

Foredrag Dansk Betonforening 25.10.2006

Design af stålfiberarmerede betonelementer for Fjernvarmetunnelen i København

Thomas Kasper (COWI A/S, [email protected])

25.10.2006



Oversigt

� Introduktion til projektet

� Stålfiberarmeret beton: Historie, forskning, egenskaber, anvendelse

� Segment design Fjernvarmetunnel - Statiske beregninger

� Segment design Fjernvarmetunnel - Holdbarhedsdesign

� Laboratorieforsøg

� Erfaringer på byggeplads

� Konklusion

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 750 Mio. inkl. rørinstallationer

� Design: Oktober 2004 -

� Udførelse: September 2005 (udgravning skakt Amagerværk) -Marts 2009 (idriftsættelse af rørledninger i tunnellen)

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




Forskning - Litteratur (med fokus på segment design)

� B. Maidl: Steel fibre reinforced concrete. Ernst & Sohn 1995.

� R.G.A. de Waal: Steel fibre reinforced tunnel segments. PhD thesis, Delft University 1999.

� A.G. Kooiman: Modelling steel fibre reinforced concrete for structural design. PhD thesis, Delft University 2000.

� D. Dupont et al.: The use of steel fibres as splitting reinforcementin tunnel linings. WTC2003 Proceedings.

� M.R. King: The design of steel fibre reinforced concrete segments. RETC Proceedings 2005.

� E. Woods et al.: Steel fibre reinforced tunnel linings. RETC Proceeding 2005.

� Plizzari et al.: Steel fibres as reinforcement for precast tunnel segments. WTC2006 Proceedings.

4




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




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: 30 cm tykke elementer Fjernvarmetunnel

2001821RC 2: Ø 20 mm every 15 cm top & bottom, 5 cm cover (330 kg/m3)

59492RC 1: Ø 12 mm every 20 cm top & bottom, 5 cm cover (90 kg/m3)

38325SFRC 2: feq,ctk,II = 2.0 kPa

1298SFRC 1: feq,ctk,II = 0.6 kPa (35 kg/m3)

kNm/mkN/m

MN

Pure bendingPure tensionCapacities M-N interaction diagram

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

0 50 100 150 200 250

Bending moment (kNm/m)

No

rma

l fo

rce

(k

N/m

)

SFRC 1

SFRC 2

RC 1

RC 2

5




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.




Anvendelser

Borede tunneller:

� Lesotho Highlands Water Project Sydafrika 1995: Test section 140 m, C45/55, 50 kg/m3 fibre

� Baggage Handling Tunnel Heathrow Airport London 1995: 1.5 km, C40/50, 30 kg/m3 fibre

� 2. Heinenoord Tunnel Holland 1999: Test section (16 rings), C55/67, 60 kg/m3

� CTRL England 2001-2004: 2 x 20 km, C50/60, 35 kg/m3 fibre, 10 -15% billigere end traditionelt armerede elementer

6



Segment design Fjernvarmetunnel

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

7




� Designbasis: Tysk anvisning "Stahlfaserbeton" (Deutscher Beton-und Bautechnik-Verein DBV, 2001)




� Betonspecifikation:

DUOLOC 47/0.80 35 kg/m3Stålfibre

0.6Ækvivalent bøjningstrækstyrke deformationsniveau II feq,ctk,II

(MN/m2)

1.4Ækvivalent bøjningstrækstyrke deformationsniveau I feq,ctk,I

(MN/m2)

50Trykstyrke fck (MN/m2)

0.17Poissontal (-)

36800E-modul E (MN/m2)

25Rumvægt (kN/m3)

C50/60, F1.4/0.6Fiberbetonklasse

8




� Arbejdskurver 4-punkt-bøjningstest: Ækvivalente bøjningstrækstyrker feq,ctk,I og feq,ctk,II

e fct

feq,ctk,I (SLS), feq,ctd,I (ULS)

feq,ctk,II (SLS), feq,ctd,II (ULS)

fctk

(SLS)

s fct

0.1 ooo/ 10 o

oo/

4.1 (mean value SLS)

1.4 (SLS), 0.89 (ULS)

0.6 (SLS), 0.38 (ULS)




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

9




Lastsituation 1: Håndtering af elementer med erektoren

Vakuum-Erektor(Film)





Fp = 32 kN

Fs = 89 kN

Traditionel løsning

10





Fp = 32 kN

Fs = 89 kN

Traditionel løsning





Fp = 32 kN

Fs = 89 kN

Problem 2. Heinenoord Tunnel, Holland

11




Lastsituation 2: Installation af det første element på toppen




Lastsituation 2: Installation af det første element på toppen

kNmM 2475.032 =⋅=

kNDZ 6736.0/24 ===

MPac 42.016.0/067.0 ==σ

( ) kNR p 1364871.02/672 =⋅+⋅=

Tests: min Rp = 125 kN OK (Sikkerhed næsten 2)

Håndregning: Forskyldningskapacitet også OK

12




Lastsituation 3: Installation - Pressekræfter

maks. 1330 kN

45 25

F F F F

Ikke et problem




Lastsituation 3: Installation - Pressekræfter

maks. 1330 kN

45 25

F F F F

Svært at undgå revner også

med almindelig armering

Stepping

13




Lastsituation 4: Vand- og jordtryk uden opvarmning i tunnelen

Numeriske modeller





010e fct e f

c

ec2

ec2u

-2 -3.5

A

B

C

b

h

3/7 h

e1

e2 feq,ctd,II

fcd

ooo/

Verifikation

14





M-N interaction diagram

deep section

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

0 100 200 300


No

rma

l fo

rce

(kN

/m)

Failure envelope

M-N envelope E = 1.5 GPa

M-N envelope E = 10 GPa


shallow section, low ground water level

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

0 100 200 300

Bending moment

No

rma

l fo

rce

Failure envelope



Verifikation





R. Suter, K. Bergmeister: Tübbinge ausStahlfaserbeton. Beton- und Stahlbetonbau99, 2004, 858-864.

Spalteproblem ved samlinger

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. 915-920, Balkema Lisse, 2003.

15





FLAC (Version 5.00)

LEGEND

22-Mar-06 13:51 step 19975

-3.500E-01 <x< 6.500E-01

-1.250E-01 <y< 8.750E-01

Boundary plot

0 2E -1

et_plastic

0.00E+00

1.00E-04 2.00E-04

3.00E-04

4.00E-04

5.00E-04 6.00E-04

7.00E-04

8.00E-04

Contour interval= 1.00E-04

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

-0.200 0.000 0.200 0.400 0.600

JOB TITLE : Fjernvarmetunnel

COWI A/S Denmark


Revner i ULS, ingen revner SLS




Lastsituation 5: Vand- og jordtryk med opvarmning i tunnelen

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

15-Mar-06 8:49 step 215024

Flow Time 1.5862E+08

Thermal Time 1.5923E+08

-2.667E+01 <x< 2.667E+01 -2.667E+01 <y< 2.667E+01

Boundary plot

0 1E 1

Flow vectorsmax vector = 4.505E-09

0 1E -8

-2.000

-1.000

0.000

1.000

2.000

(*10^1)

-2.000 -1.000 0.000 1.000 2.000

(*10^1)


COWI A/S Denmark

Vandstrømning omkring Fjernvarmetunnelen

16





FLAC (Version 5.00)

LEGEND

15-Mar-06 8:49 step 215024



-2.667E+01 <x< 2.667E+01 -2.667E+01 <y< 2.667E+01

Boundary plot

0 1E 1

Temperature 5.00E+00

1.00E+01

1.50E+01

2.00E+01 2.50E+01

3.00E+01

3.50E+01

4.00E+01 4.50E+01

Contour interval= 5.00E+00-2.000

-1.000

0.000

1.000

2.000

(*10^1)

-2.000 -1.000 0.000 1.000 2.000(*10^1)


COWI A/S

Denmark

Temperaturfordeling omkring Fjernvarmetunnelen





FLAC (Version 5.00)

LEGEND

17-Mar-06 22:22 step 213601424



-2.667E+01 <x< 2.667E+01 -2.667E+01 <y< 2.667E+01

Boundary plot

0 1E 1


1.00E+01

1.50E+01

2.00E+01 2.50E+01

3.00E+01

Contour interval= 5.00E+00

-2.000

-1.000

0.000

1.000

2.000

(*10^1)

-2.000 -1.000 0.000 1.000 2.000(*10^1)


COWI A/S Denmark

Temperaturfordeling, som det ville være ved en permeabilitet k=1e-3 m/s

17





FLAC (Version 5.00)

LEGEND

15-Mar-06 8:56 step 215024



-2.667E+01 <x< 2.667E+01 -2.667E+01 <y< 2.667E+01

Boundary plot

0 1E 1


1.00E+01

1.25E+01

1.50E+01 1.75E+01

2.00E+01

2.25E+01

2.50E+01

Contour interval= 2.50E+00-2.000

-1.000

0.000

1.000

2.000

(*10^1)

-2.000 -1.000 0.000 1.000 2.000

(*10^1)


COWI A/S Denmark

Temperaturfordeling, som det ville være ved stærk grundvandsstrømning 10 cm/dag






deep section

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

0 100 200 300


No

rma

l fo

rce

(k

N/m

)

Failure envelope



1

2

3 1: min N / max M t = 0

2: min N / max M t = 5 years

3: max N / max M t = 5 years

Verifikation

18





FLAC (Version 5.00)

LEGEND

22-Mar-06 13:25 step 18910

-3.500E-01 <x< 6.500E-01

-1.250E-01 <y< 8.750E-01

Boundary plot

0 2E -1

et_plastic

0.00E+00

5.00E-04 1.00E-03

1.50E-03

2.00E-03

2.50E-03 3.00E-03

Contour interval= 5.00E-04

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

-0.200 0.000 0.200 0.400 0.600


COWI A/S Denmark


Revner i ULS, ingen revner SLS




Holdbarhedsdesign

� Design-levetid 100 år (Krav: uden større reparationer)

� Problem: Høje temperaturer sammen med kloridholdigt grundvand (1 - 1.5 %)

� Opvarmning fra 10 til 50 grader accelerer klorids indtrængen medfaktor 16, høj risiko for kloridinduceret korrosion og afskaldninger

� Elementer med sort armering ville kræve dæklag på omkring 8-10 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)

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)

20



Erfaringer på byggeplads

Skadestatistik

Damage statistics

0

1

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Ring No.

No

. o

f d

am

ag

es

Cracks (key segments)

Cracks (other segments)

Water leakages




Skadestatistik

Damage statistics

0

1

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Ring No.

No

. o

f d

am

ag

es



Water leakages

3 elementer

ud af 2700

1.26 %

Store revner igennem elementer

Revner ved hjørner

Fjernvarmetunnel (ringe 1-450):

Færre element skader i Fjernvarmetunnelen end sædvanligt, men flere end rapporteret fra CTRL England

21




Skadestatistik

Damage statistics

0

1

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Ring No.

No

. o

f d

am

ag

es



Water leakages

1 element0.3 % 2.2 %

Major damage

Minordamage, controlledrepair

Minordamage, no repairneeded

CTRL England

3 elementer

ud af 2700

1.26 %

Store revner igennem elementer

Revner ved hjørner

Fjernvarmetunnel (ringe 1-450):

(2 British construction industry awards):




Damage statistics

0

1

2

190 200 210 220 230

Ring No.

No

. o

f d

am

ag

es



Water leakages

Grout pressures (average values over each ring)

0

2

4

6

8

10

12

190 200 210 220 230

Ring No.

Gro

ut

pre

ssu

re (

ba

r)

Grout pressure pipe 01

Grout pressure pipe 02

Grout volume over each ring

0

500

1000

1500

2000

190 200 210 220 230

Ring No.

Vo

lum

e (

l)

Volume grout pipe 01

Volume grout pipe 02

Volume accelerator pipe 01

Volume accelerator pipe 02

Tilfældighed eller sammenhæng ?

22




Damage statistics

0

1

2

390 400 410 420 430

Ring No.

No

. o

f d

am

ag

es



Water leakages

Thrust pressures (Average values over each ring)

0

50

100

150

200

250

300

390 400 410 420 430

Ring No.

Th

rus

t p

ress

ure

(b

ar)

Thrust group A

Thrust group B

Thrust group C

Thrust group D

Tilfældighed eller sammenhæng ?



Konklusion

� Indtil nu gode erfaringer med stålfiberarmerede elementer i Fjernvarmetunnelen

� Kvalitet af arbejdet i tunnelen meget vigtigt (Ringbygning og TBM-styring)

� Under visse forhold er stålfiberarmeret beton en god teknisk og rentabel løsning

� God holdbarhed forventes

� Mindre drift- og vedligeholdelses-

omkostninger forventes

Documents

Design af stålfiberarmerede betonelementer for