Bezwijken van lange voorgespannen betonliggers

Het kippen van een slanke voorgespannen prefab balk of zelfs het instorten van een voorgespannen betonnen ligger op een bouwplaats tijdens de hijsfase is geen zeldzaam ongeluk. Maar waarom gebeurt het nog steeds tegenwoordig met alle veiligheidsregels, richtlijnen en ervaring? Hoe komt dat? Wat is het probleem?

Kip instabiliteit van lange voorgespannen balken

Geprefabriceerde betonnen balken of liggers worden gebruikt in een grote verscheidenheid aan projecten, meestal industriële hallen, magazijnen of bruggen van voorgespannen beton. Verschillende technologische ontwikkelingen, zoals de gebruikte materialen, efficiëntere doorsnedevormen en grotere voorgespannen strengen, maken het mogelijk om grotere overspanningen te bereiken. Door de grotere overspanning neemt ook het totale gewicht van dergelijke liggers toe, waardoor de transport- en behandelingsfasen soms de kritieke belastingsgevallen worden in het constructieve ontwerp, zoals weergegeven in afbeelding [3].

De gebruikelijke strategie om dit probleem op te lossen is om het eigengewicht van de liggers te minimaliseren door de breedte van de flenzen te reduceren. Dit vermindert echter ook de stijfheid van de zwakke assen en de torsiestijfheid van het element, waardoor het risico op laterale instabiliteit toeneemt. [1]

De gerapporteerde ongevallen en schade als gevolg van kipinstabiliteit worden meestal geassocieerd met excentriciteiten die tweede-orde effecten activeren tijdens transiënte belastingssituaties (hijsen, transport en tijdelijke ondersteuning). Typische oorzaken van deze excentriciteiten zijn fabricagetoleranties, variaties in de laterale positionering van strengen, lokale scheurvorming, kruip- en krimpvegen en opwarming door de zon aan één kant, waardoor de ligger gaat buigen. Omdat men aannam dat voorgespannen betonliggers voldoende marge hebben in de stijfheid van de zwakke as, werd er traditioneel weinig aandacht besteed aan het fenomeen. [1]

Ongevallen van lange voorgespannen betonnen liggers

De in 1965 gebouwde Dehtiarivskyi-brug in Kiev, die op 13 juni 2023 werd gesloten voor renovatie, stortte in [2]. Nadat er zes balken waren gemonteerd, begonnen arbeiders met de installatie van de zevende. De balk verloor zijn stabiliteit en duwde de rest van de balken weg, waarna alles instortte. Gelukkig vielen er geen slachtoffers, maar er was natuurlijk wel enorme financiële schade.

Een ander voorbeeld is het falen tijdens de hijsfase. Een 45,6 m lange voorgespannen geprefabriceerde betonnen ligger met een constante dwarsdoorsnede in I-vorm met een hoogte van 2 m en een bovenflensbreedte van 1,2 m. Stel je voor: een vervormde vorm na de eerste hijsoperatie en een drastische toename van de zijdelingse verplaatsing tot 300 mm (L/150). De ligger werd opnieuw op de grond geplaatst om mogelijke schade te evalueren. Na de inspectie werden verticale scheuren waargenomen in de linker bovenflens. De scheurwijdten waren meer dan 0,4 mm, die gerepareerd hadden moeten worden om aan de duurzaamheidseisen te voldoen als het element uiteindelijk geaccepteerd zou worden.

Vervolgens werd een tweede intentie tot hijsen uitgevoerd. Deze vertoonde echter een zijdelingse zwaai van meer dan L/400, wat betekende dat deze balk niet in staat was om zijn oorspronkelijke vorm terug te krijgen. Dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door plastische vervorming die optrad tijdens het hijsen. Daarom werd deze ligger afgekeurd en werd een nieuwe ligger geproduceerd en naar de bouwplaats getransporteerd. [1]

Ontwerp van veilige slanke voorgespannen betonnen liggers

Hoe kunnen we dergelijke ongevallen en schade voorkomen? Stoppen we met het ontwerpen van lange voorgespannen betonbalken? Natuurlijk niet, dat zou een stap terug zijn en zo zonde (de auteur is een grote voorgespannen beton fan)! Voor een constructeur is het geen gemakkelijke taak om binnen enkele minuten een veilig, economisch ontwerp te leveren.

En in dit geval ben ik bang dat pen en papier niet genoeg zijn. In mijn recente werk wenste ik altijd dat er software was die me kon helpen met de complexe berekeningen die komen kijken bij Lateral Torsional Buckling (LTB) of, in het Nederlands kort gezegd, kip, van slanke voorgespannen balken. Natuurlijk wilde ik mijn jeugd niet spenderen aan het invoeren van invoerwaarden en het interpreteren van de resultaten in halfslachtige programma's.

Dé oplossing voor kip

Goed nieuws, er is IDEA StatiCa met complexe berekeningen voor kip (LTB) van lange voorgespannen betonbalken. Dit alles is beschikbaar in één tool die eenvoudig te gebruiken is, duidelijke resultaten geeft en automatisch rapporten genereert. Volg de IDEA StatiCa Beam workflow:

• Geometrie: doorsnede, overspanningsinformatie, voorspankabels, en bouwfases zijn al gedefinieerd in de Beam app voor de globale analyse en ontwerp. Met alle gegevens wordt automatisch rekening gehouden.
• Tabblad Kipinstabiliteit: definieer gedetailleerde invoergegevens over hijsen, transport en andere bouwfasen zoals initiële imperfectie, details van hijsbanden, uiteindelijke ondersteuningstypen, enz. Al deze gegevens hebben invloed op de LTB-analyse.
• LTB (kip)-analyse uitvoeren: d.w.z. een materiële en geometrische niet-lineaire analyse met initiële imperfecties. De geavanceerde methode erachter, geen vereenvoudigde methoden of formules.
• Resultaten: de output van de Kip-analyse zijn reactiekrachten, interne krachten en doorbuiging.
• LTB (kip)-controle: tot nu toe is handmatige invoer in de RCS-app beschikbaar. Nadat de Kip-analyse is uitgevoerd, ga naar gedetailleerde resultaten (RCS-app) en sla op als nieuw bestand, voer extra interne krachten als gevolg van instabaliteit in voor de UGT en BGT-combinatie en voer alle controles uit.
  Opmerking: Automatische invoer van LTB-resultaten in controlecombinaties wordt binnenkort ontwikkeld .
• Rapport: Genereer nauwkeurige rapporten met geautomatiseerde codecontroles en aanpasbare uitvoer, waardoor u tijd bespaart en de kans op fouten vermindert.

Vind hier meer technische details over de LTB analyse en controles.

Laatste woord

Verzeker de veiligheid van balken in elke productie- en constructiefase met geïntegreerde KIP stabiliteitscontroles, die alle omstandigheden omvatten, van opslag en transport tot hijsen. Maak je geen zorgen meer of vermijd zelfs het ontwerpen van slanke voorgespannen betonnen liggers omdat ze het risico lopen hun laterale stabiliteit te verliezen. Vandaag kunt u vol vertrouwen zijn door IDEA StatiCa aan uw zijde te hebben!

Bronnen

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Case Study of Failure of Long Prestressed Precast Concrete Girder During Lifting, Engineering Failure Analysis, Volume 100, 2019, Pages 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061,(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236).

[2] Online beschikbaar https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html

[3] Online beschikbaar https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/