Duurzaam omgaan met de bebouwde omgeving aan de hand van levensduurverlenging
Prof. dr. ir. Robby Caspeele, Labo Magnel-Vandepitte, Vakgroep Bouwkundige Constructies en Bouwmaterialen, Universiteit Gent
Het beoordelen, herstellen en upgraden van bestaande constructies vormt een aanzienlijk deel van de huidige activiteiten in de bouwsector. Dit heeft onder andere te maken met het feit dat ongeveer 69% van de bebouwde omgeving dateert van voor 1981 en 28% zelfs van voor 1945. De European Construction Industry Federation (FIEC, cijfers uit 2023) geeft aan dat ongeveer 30% van de constructie-activiteiten gerelateerd kan worden aan onderhoud en herstel van constructies, hetgeen overeenkomt met ongeveer 500 miljard euro per jaar in Europa. Het adequaat beoordelen en herstellen van constructies wint meer en meer aan belang omdat levensduurverlenging van constructies, al dan niet via herstel of upgradingsmaatregelen, een zeer belangrijke bijdrage levert aan de wereldwijde doelstelling om meer duurzaam om te gaan met de bebouwde omgeving. De meest duurzame oplossing voor bestaande constructies – mits deze uiteraard blijven voldoen aan de nodige eisen wat betreft veiligheid en een kostenefficiënt beheer – is immers deze zo lang mogelijk te exploiteren, eerder dan over te gaan tot afbraak en nieuwbouw als daar vanuit veiligheidsoogpunt, kostenefficiëntie of exploitatienoodzaak geen reden toe is.
Het beoordelen van bestaande constructies botst echter nog steeds op een aantal vooroordelen en uitdagingen. Vaak wordt vastgehouden aan het idee dat constructies die hun initieel vooropgestelde ontwerplevensduur overschreden hebben, een probleem vormen voor wat betreft hun exploitatie. Echter, deze ontwerplevensduur is een theoretische duur waarbinnen de norm ervan uitgaat dat de constructie haar doel kan vervullen zonder aanzienlijk onderhoud of herstel.
Zeker gelet op de huidige duurzaamheidseisen gesteld in het ontwerp, vormt deze ontwerplevensduur een conservatieve onderschatting van de effectieve levensduur van de constructie vanuit veiligheidsoogpunt. De werkelijke levensduur wordt bepaald door het moment waarop de belasting (het aanbod, S) de weerstand (de vraag, R) overstijgt. De werkelijke levensduur is geen exact getal, maar onderhevig aan onzekerheden die het resultaat zijn van variaties in dichtheid van het beton, betondekking, blootstelling aan CO2 of chloriden, betonsamenstelling, etc. en kan dus probabilistisch beschreven worden (cf. fig. 1). Als gevolg van de onzekerheden, is de werkelijke levensduur zeer variabel en wordt conventioneel een conservatieve waarde voor depassivatie van wapeningsstaal vooropgesteld in het ontwerp teneinde corrosieproblemen te vermijden. De te verwachten (gemiddelde) levensduur is – bij goed ontwerp – aanzienlijk groter dan de vooropgestelde ontwerplevensduur.
Vaak wordt voor de bepaling van de levensduur in eerste instantie gekeken naar carbonatatie- en chloride-geïnduceerde corrosie omwille van de wijdverspreide aard van deze problematiek, hoewel uiteraard ook andere degradatiefenomenen zoals vermoeiing, vorst-dooi weerstand, alkali-silica reactie, zuuraantasting, etc. determinerend kunnen zijn voor de bepaling van de levensduur.
De voorbije decennia werden talrijke rekentechnieken ontwikkeld om bijvoorbeeld in het geval van chloride-indringing in beton of carbonatatie van beton, de periode van corrosie-initiatie te bepalen. De initiatieperiode is gerelateerd aan het verdwijnen van de passiverende laag ijzeroxide op de wapening door chloride-indringing of carbonatatie (depassivatie) (zie fig. 2), en dit moment wordt courant gekwantificeerd door het bepalen van de tijd nodig om een kritisch chloridegehalte te bereiken ter hoogte van de wapening, of de tijd nodig om het carbonatatiefront de wapening te laten bereiken. Deze periode is niet direct schadelijk voor de betonconstructie, maar geeft de start weer van het corrosieproces. Het fib Bulletin 34 [2], alsook de recent verschenen fib Model Code 2020 [3] bevatten technische richtlijnen voor het bepalen van de levensduur gerelateerd aan corrosie-initiatie. Afhankelijk van de betonsamenstelling, het ontwerp van de betondoorsnede en de uitvoering, kan de periode van corrosie-initiatie aanzienlijk verschillen van de theoretische ontwerpwaarde.
Daarnaast zijn er de laatste decennia ook internationaal modellen ontwikkeld voor de corrosie-propagatiefase, zie bvb. Vereecken et al. [4] en fib Model Code 2020 [3]. Tijdens de propagatiefase wordt de wapening aangetast waardoor scheuren in het beton kunnen ontstaan, het beton kan afspatten en het draagvermogen van de constructie kan verminderen met zelfs in extreme gevallen bezwijken van het constructief element of de constructie tot gevolg (zie fig. 2). Indien deze modellen worden aangevuld met meetdata, kan hiermee ook in geval reeds corrosie wordt waargenomen, de evolutie van de corrosie in de tijd worden ingeschat. Dit kan vervolgens ook in rekening worden gebracht bij de beoordelen van de sterkte en de evolutie ervan in de tijd teneinde een einde van de levensduur vanuit constructief oogpunt te bepalen.
Naast het modelleren van schade, zijn sinds 2010 ook technische richtlijnen ontwikkeld om de sterkte-evaluatie uit te voeren aan de hand van een werkwijze die sterk lijkt op de verificatie bij ontwerpberekeningen aan de hand van partiële factoren. Het veiligheidsformaat dat gebruikt wordt voor het ontwerp van nieuwe constructies, moet echter op twee vlakken worden aangepast, nl. het te gebruiken veiligheidsniveau en de veiligheidsfactoren (partiële factoren).
Een lager veiligheidsniveau is aangewezen voor het nazicht van bestaande constructies, gelet op het feit dat het vooropgestelde veiligheidsniveau in de Eurocodes voor nieuwe constructies een economische basis heeft en interventies bij bestaande constructies nu eenmaal kostelijker zijn dan aanpassingen in het ontwerp. Uiteraard moet het gereduceerde veiligheidsniveau hoger zijn dan een minimaal veiligheidsniveau, dat vanuit het oogpunt van menselijke veiligheid wordt voorgeschreven (cf. fib Bulletin 80 [5] en fib Model Code 2020 [3]). Dit heeft uiteindelijk geleid tot een internationaal voorstel voor het veiligheidsniveau van bestaande betonconstructies, zoals weergegeven in Tabel 1, met betrouwbaarheidsindices die in lijn zijn met de richtwaarden beschreven in ISO 2394 [6] en de JCSS Probabilistic Model Code [7]. De waarden zijn te gebruiken voor een nazicht van de constructie op basis van een referentieperiode van 1 jaar. In het geval van bestaande constructies wordt het nazicht immers uitgevoerd op jaarlijkse basis in het laatste jaar van de vooropgestelde resterende levensduur. De betrouwbaarheidsindex geeft de mate van constructieve veiligheid weer en is gerelateerd aan de overlevingskans gedurende een bepaalde periode. Een hoge betrouwbaarheidsindex correspondeert met een kleine faalkans. Voor bestaande constructies zijn de kosten om een hoger betrouwbaarheidsniveau te bereiken meestal hoog vergeleken met constructies in ontwerp. Daarom is een lager veiligheidsniveau onder bepaalde omstandigheden acceptabel voor bestaande constructies. Bij het nazicht van bestaande constructies mogen dan ook de betrouwbaarheidsindices gebruikt worden uit Tabel 1 overeenkomstig een hoge relatieve kost van mogelijke veiligheidsmaatregelen. Ter informatie worden eveneens de richtwaarden voor nieuwe constructies vermeld in Tabel 2, waarbij uitgegaan wordt van een nazicht over een referentieperiode van 50 jaar.
Naast een aanpassing van de richtwaarde van het veiligheidsniveau, dienen in de verificatie ook de partiële factoren te worden aangepast ten opzichte van deze die aangewend worden in ontwerpberekeningen. Deze dienen immers bij het nazicht van bestaande constructies rekening te houden met:
- het alternatieve veiligheidsniveau;
- een alternatieve keuze voor de referentieperiode (in het geval van bestaande constructies wordt het nazicht immers uitgevoerd op jaarlijkse basis in het laatste jaar van de vooropgestelde resterende levensduur, desgevallend rekening houdend met het corrosieproces);
- de vooropgestelde resterende levensduur;
- extra informatie op basis van proeven en waarnemingen die toelaten de onzekerheden met betrekking tot de materiaaleigenschappen en belastingen beter in te schatten in het geval van bestaande constructies.
Technische richtlijnen die uiteenzetten hoe deze partiële factoren kunnen worden aangepast, zijn beschreven in fib Bulletin 80 [5] en fib Model Code 2020 [3]. De meest recente aanbevelingen uit fib Model Code 2020 [3] hieromtrent zijn bevattelijk samengevat in Caspeele & Van Den Hende [9].
Daarnaast zijn er ook meer geavanceerde methoden in ontwikkeling, die toelaten op basis van statistische methoden (zogenaamde Bayesiaanse updatingsmethoden) informatie op basis van inspecties, proeven, monitoring, etc. te vertalen naar een meer adequate voorspelling van de constructieve levensduur van constructies (cf. Caspeele & Botte [10]). Onder andere het momenteel lopende FWO-SBO lifeMACS project (cf. website www.lifeMACS.be) poogt hiertoe in Vlaanderen (en internationaal) een lans te breken.
Kortom, we staan momenteel voor de deur van een revolutie in onze discipline, waarbij – terecht – meer en meer de mogelijkheid onderzocht wordt om bestaande constructies verder te exploiteren na het bereiken van hun theoretische levensduur, mits nazicht van de veiligheid en mogelijks na het uitvoeren van bijkomende inspecties en proeven. Deze vanuit duurzaamheidsoogpunt zeer verantwoorde evolutie kan ondertussen gebruik maken van talrijke technische richtlijnen die de laatste jaren ontwikkeld zijn. De revolutie is dus ingezet en is klaar om door de bouwsector te worden omhelsd.
Referenties
[1] DuraCrete: Probabilistic Performance base Durability Design of Concrete Structures.
Report: General Guidelines for Durability Design and Redesign. Document BE95-1347/R15. February 2000.
[2] fib Bulletin 34: Model Code for Service life design. Technical Recommendation. 2006, ISBN 2-88394-074-6.
[3] fib Model Code for Concrete Structures 2020 (MC2020). Model Code. 2024, ISBN 978-2-88394-175-5.
[4] Vereecken, E., Botte, W., Lombaert G. & Caspeele, R. (2021) Assessment of corroded prestressed and post-tensioned concrete structures: a review. Structural Concrete. 2021;22:2556-2580.
[5] fib Bulletin 80: Partial factor methods for existing concrete structures.
Technical Recommendation. 2016, ISBN 978-2-88394-120-5.
[6] ISO 2394:2015. General principles on reliability for structures. International Organization for Standardization.
[7] JCSS probabilistic model code. Joint Committee on Structural Safety, JCSS (2001).
https://www.jcss-lc.org/jcss-probabilistic-model-code/.
[8] NBN EN 1990:2002+A1:2006 + ANB:2013 – Eurocode – Basis of structural design.
[9] Caspeele, R. & Van Den Hende, K. (2023) Validation of the harmonized partial factor method for design and assessment of concrete structures as proposed for fib Model Code 2020. Structural Concrete. 2023;24(4):4368–76.
[10] Caspeele, R. & Botte, W. (2023) Bayesian assessment of existing concrete structures: exploiting the full power of combined information. In F. Biondini & D. M. Frangopol (Eds.), Life-cycle of structures and infrastructure systems : proceedings of the Eight International Symposium on Life-cycle Civil Engineering (IALCCE 2023), pp. 57–68.
