Structuurontwerp

Het structuurontwerp is bepalend voor de kosten van onderhoud. Daarom is het in deze fase gewenst om de samenhang te onderkennen tussen:

• functionele eisen (kwalitatief);
• prestatie-eisen (kwalitatief en kwantitatief);
• beschrijvende eisen (kwantitatief).

Deze eisen liggen vast in NEN 2574.

Op basis van deze samenhang in eisen is een relatie te leggen met het type bouwproces (bouworganisatie), te onderscheiden in:

• traditioneel (aanbesteden op basis van bestek en tekeningen);
• Design and Construct (D&C);
• Design, Build & Maintain (DBM) en
• Design, Build, Finance & Maintain (DBFM).

Voor de eindgebruiker (eigenaar/beheerder) van de brug is de optimale oplossing: een Economisch Meest Voordelige Inschrijving (EMVI) op basis van Life Cycle Management (LCM). EMVI is het ruimere, integrale alternatief op het bekende gunningscriterium bij aanbesteden van ‘de laagste prijs’. Bij EMVI worden – naast de prijs – onder meer ook de kwaliteit van de producten en diensten, leveringsvoorwaarden en het voldoen aan extra kwaliteitscriteria (zoals milieuwensen) gewogen.

Kenmerken van EMVI (met LCM) zijn:

• de kosten zijn gekoppeld aan de tijd, waardoor de integrale kosten (som van aanleg en onderhoud) te optimaliseren zijn;
• het gedrag van de constructie in de gebruikfase is voorstelbaar en betrouwbaar in de tijd aan te geven;
• op basis van dit gedrag worden strategieën ontwikkeld voor onderhoud en reparatie.

Context issues
Bij het ontwerpen voor EMVI op basis van LCM is een beschrijving van de context noodzakelijk. Contextvariabelen zijn onder meer:

• het macroklimaat (volgens ISO 9223 ‘Corrosion of metals and alloys’);
• de gevoeligheid van de omgeving voor de uitvoering van onderhoudswerkzaamheden, zoals de gevoeligheid voor grid. Zo is de Biesbosch waarschijnlijk gevoeliger dan industrieterrein de Spaanse polder bij Rotterdam;
• de uitgangspunten van de berekening van de Netto Contante Waarde (discontovoet);
• de omschrijving van de RAMSHE-criteria (Reliability, Availability, Maintainability, Safety, Health, Environment).

RAMSHE (of RAMS) staat voor de analyse van de (gewenste) prestatie van een product of systeem door de eigenschappen en mogelijkheden van dat product of systeem op de verschillende onderdelen (Reliability, Availability, Maintainability, Safety, Health en Environment) in hun onderlinge samenhang te beoordelen. Steeds vaker worden ook de kosten meegewogen (en vaak al op levensduur (LCC)). Dan wordt wel gesproken van RAMSHEC.
Het doel van RAMS(HEC) is om de algehele performance (dan wel kwaliteit) van het product of systeem te verbeteren en (aankoop)beslissingen (nog) meer op rationele gronden te nemen. Bij zowel infrastructurele werken als gebouwen verschilt de omschrijving van RAMSHE over de exploitatieperiode sterk met de omschrijving over de contractperiode. Dat blijkt bij functioneel specificeren.

Bij functioneel specificeren van het opheffen van degradatieverschijnselen (verwering van de coating) moet de functionaliteit in de tijd worden beschreven. Dit kan op twee manieren:

• aangeven van een maximaal toelaatbare degradatie gedurende een bepaalde periode (vermelden van een ondergrens voor de kwantitatief beschreven eigenschappen);
• aangeven van een maximaal toelaatbare degradatie op een aantal tijdstippen (bij oplevering en één of meerdere momenten daarna).

De laatste mogelijkheid verdient de voorkeur, en wel op drie tijdstippen:

• bij oplevering;
• aan het einde van de contractperiode (T_contract);
• wanneer bijvoorbeeld de integriteit van de constructie en/of conservering in het geding komt (T_EMVI).

De toelaatbare corrosie bij deze drie tijdstippen wordt aangegeven met de roestschaal Ri (ISO 12944. De roestschaal staat in een andere norm):

• bij oplevering: Ri = 0;
• bij T_contract: Ri = Rc;
• bij T_EMVI: Ri = Ra.

Bij zowel T_contract als T_EMVI zijn voor andere eisen ook grenswaarden te geven. Deze (functionele) eisen staan in de casebeschrijving staalconstructie.
De functionele eisen worden per onderdeel van de brug opgesteld, bij oplevering en op één later tijdstip. Hierdoor is de opdrachtnemer verantwoordelijk voor de conditie van het object gedurende een bepaalde periode (T_contract).

T_vvf
De keuze van verfsystemen gebeurt met ISO 12944. In deze norm zijn in deel 5 – Protective Paint Systems – voor alle corrosieklassen (C) verfsystemen beschreven. De systemen zijn nader ingedeeld op Expected Durability. De indeling is gebaseerd op de tijd die verstrijkt tot Ri = 3. De onderscheiden klassen zijn:

• L (2–5 jaar);
• M (5–15 jaar) en
• H (15 jaar of langer).

Voor constructies in C3 en zwaarder is een langere onderhoudsvrije periode aanbevolen. Voor de verf is dit ook mogelijk, met de introductie van T_vvf.

T_vvf is de duur van de eerste onderhoudsvrije periode (tot Ri = 3) van een verfsysteem, aangebracht op een ideaal ontworpen staalconstructie. Van slecht bereikbare constructies dient het ontwerp zodanig te zijn dat de eerste onderhoudsvrije periode gelijk is aan T_vvf (de eerste onderhoudsvrije periode van een ideaal ontworpen constructie).

Levensduurkosten (LCC)
De levensduurkosten (ofwel Life Cycle Costs (LCC)) worden geoptimaliseerd op basis van de Total Costs of Ownership (TOC) over de levensduur. De LCC zijn uit te drukken in een ‘prestatie’, bijvoorbeeld aantal Euro’s per jaar dat nodig is om een oeververbinding met een bepaalde capaciteit te laten functioneren. Bij staalconstructies worden de LCC in belangrijke mate bepaald door de kosten van de voorzieningen (‘hulpconstructie’) voor het conserveren tijdens de levensduur.

Ontwerpaanbevelingen voor staalconstructies in klimaatklasse C3–C4

Uitgangspunten:

• de exploitatieperiode is langer dan 50 jaar;
• de constructie is bereikbaar voor inspectie en onderhoud;
• voorzieningen worden getroffen voor het uitvoeren van inspecties en onderhoud;
• de constructie wordt voorzien van een conserveringssysteem en
• de toegestane degradatie van de conservering (roestschaal) is Ri = 2 à 3

Onderhoudscyclus:
Bij constructies in de klimaatklassen C3 en C4, ontworpen volgens de uitgangspunten, is op basis van LCC bij de toepassing van een coating uit te gaan van een onderhoudcyclus van ongeveer vijftien jaar.

In de exploitatieperiode moet de constructie enkele inspecties en onderhoudsbeurten ondergaan. Het onderhoud kan bestaan uit bijwerken dan wel geheel overschilderen. Het bijwerken van (lichte) beschadigingen zal waarschijnlijk ook al tijdens de eerste jaren na de oplevering noodzakelijk zijn.

Ontwerpstrategie klimaatklassen C3 & C4

Aanbevelingen ontwerp constructie

Bij toepassing van een verfsysteem:

• kies voor een constructiesysteem, waarbij de constructie later bereikbaar is voor inspectie en onderhoud;
• kies voor een gesloten constructie met relatief beperkt oppervlak (om het onderhoud te reduceren);
• kies zo mogelijk voor kokerprofielen;
• kies minimaal staalklasse B;
• kies zo mogelijk voor gelaste verbindingen zonder schotten;
• zorg voor een goede afwatering: voorkom dat water in de constructie blijft staan (waterbakjes);
• vermijd nekken (ontmoetingen van profielen in een verticaal vlak, onder een hoek kleiner dan 30° zijn bij het conserveren niet bereikbaar);
• rond de bewerkte randen af, met een afrondingsstraal r = 2 mm (de gewalste randen van bijvoorbeeld strippen, platen en profielen wel voorzetten);
• voorkom kettinglassen;
• vermijd horizontale schotten, indien schotten onvermijdelijk, dan rondom aflassen;
• las capillaire naden tussen constructiedelen af
• gebruik thermisch verzinkte bevestigingsmiddelen met onderlegringen;
• vermijd – omwille van applicatie en onderhoud van de conservering – naden en andere openingen tussen constructiedelen volgens ISO 12944-Part 3, annex C;
• voer eventuele ‘mouse holes’ (noodzakelijk uit constructieve overwegingen) uit volgens ISO 12944-Part 3 en rondt de bewerkte randen af met r = 2 mm en
• zie erop toe dat de afwatering niet loost op de constructie.

RAMSHE kan resulteren in een set van onderling afgestemde aspecteisen op kunstwerkniveau. Voor de meest kritieke onderdelen van het kunstwerk zijn deze eisen door te vertalen naar onderdeelniveau of zelfs naar het niveau van normen en richtlijnen. Hoe gedetailleerd de eisen moeten zijn, hangt af van het belang en de repetitie van een onderdeel.

• Literatuur