Constructief onderzoek en herontwerp zandfilter RWZI Amersfoort

In het najaar van 2024 is bij de rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI) Amersfoort een constructieve schade ontstaan aan het zandfilter. Het zandfilter bestaat uit acht gewapende betonnen bakconstructies. In de bakken is een geperforeerde prefab betonnen plaat aanwezig als tussenvloer, waarop een zand-/koolstofbed rust. In de perforaties zijn zogeheten kunststof nozzles aanwezig. Voor het zuiveringsproces wordt afvalwater vanuit een goot de bak in gebracht, waarna het zand-/koolstofbed het afvalwater filtreert en via de nozzles in de nozzleplaat het onderliggende compartiment bereikt. Hier wordt het gezuiverde afvalwater met behulp van een zuigleiding afgepompt. Periodiek dient het zand-/koolstofbed te worden gereinigd door middel van een zogeheten terugspoelcyclus waarmee grote belastingen op de nozzleplaat worden uitgeoefend.

Het volledig bezwijken van de nozzleplaat in zandfilter 7, een essentieel element in de werking van het zandfilter, heeft geleid tot directe buitengebruikstelling van dit filter. Kort daarop werd ook een grote schade vastgesteld aan de nozzleplaat in zandfilter 6. Hoewel de waterzuivering met de resterende zes zandfilters gedurende de winterperiode kon voldoen aan de wettelijke lozingseisen, was spoedig herstel noodzakelijk om de capaciteit en betrouwbaarheid van de installatie te borgen.

Waterschap Vallei en Veluwe heeft Nebest ingeschakeld om de oorzaak van de constructieve schades te onderzoeken en een ontwerp uit te werken voor de vervanging van de nozzleplaten. In dit artikel beschrijven we de context, aanpak en bevindingen van het onderzoek naar de constructieve aspecten van de nozzleplaten en bijbehorende ondersteunende constructiedelen. De resultaten vormen de basis voor een veilig en toekomstbestendig herontwerp van deze kritieke componenten binnen het zuiveringsproces.

Aanpak en uitvoering

Om de oorzaak van het bezwijken van de nozzleplaten in zandfilter 6 en 7 te achterhalen, heeft Nebest een uitgebreid technisch onderzoek uitgevoerd. De inzichten die hierbij zijn opgedaan zijn enorm waardevol en zijn meegenomen in het ontwerp van de nieuwe nozzleplaten. Om te voorkomen dat in de toekomst hetzelfde faalmechanisme zal optreden. Hierbij is o.a. gekeken naar het (detail)ontwerp van de constructie, het bedrijfsproces en de daarbij optredende belastingen, toetsing of de platen zijn gerealiseerd conform ontwerp en het vaststellen van mogelijke aantastingsmechanismen.

Visuele inspectie en veiligheidsmaatregelen

In de eerste fase zijn de beschadigde zandfilters 6 en 7 op handafstand visueel geïnspecteerd. De inspectie richtte zich met name op zichtbare scheuren of schade aan de nozzleplaten, de aansluiting van de platen op kolommen en wanden, en de staat en het bezwijkgedrag van de verankeringen. Vanwege de veiligheid is de nozzleplaat in zandfilter 7 in delen gezaagd en uitgehesen. Deze delen zijn elders op het terrein neergelegd voor verder onderzoek. Hoewel de oorspronkelijke grote scheur bij het zagen verloren is gegaan, is deze voorafgaand aan de demontage nauwkeurig vastgelegd op foto’s.

Onderzoek naar aantastingsmechanismen

Om vast te stellen of aantasting van de verankeringen of de wapening heeft bijgedragen aan het bezwijken van de nozzleplaten, zijn op negen locaties betonkernen geboord. Deze betonkernen zijn genomen uit diverse onderdelen van de zandfilters, waaronder de nozzleplaten, kolommen, wanden en vloer. Van de boorkernen is zowel het chloridegehalte als de carbonatatiediepte bepaald volgens erkende normen. Daarnaast is van voornoemde onderdelen de betondekking op de wapening gemeten. Op basis van de meetresultaten is een inschatting gemaakt in welke mate sprake is geweest van corrosie van de verankeringen en wapening.

Verificatie van constructieve gegevens

Naast de materiaalanalyses zijn ook de geometrie, betonkwaliteit en wapening van de constructie beoordeeld met als doel van te stellen of de nozzleplaten zijn gerealiseerd conform het oorspronkelijke constructief ontwerp. Alle relevante afmetingen van de nozzleplaten, kolommen en oplegvlakken zijn zorgvuldig ingemeten. Voor de bepaling van de betonkwaliteit zijn acht betonkernen geboord, waarvan de druksterkte is bepaald conform NEN-EN 12390-3. Op basis hiervan zijn de sterkteklassen afgeleid conform NEN-EN 13791.

Verder is tevens de toegepaste wapeningsconfiguratie geverifieerd met behulp van een Ferroscan, een apparaat waarmee op nauwkeurige (niet-destructieve wijze) de locatie en diepteligging van de wapening in beton kan worden gemeten. Aanvullend konden de toegepaste wapeningsdiameters worden vastgesteld in de zaagsneden van de gedemonteerde delen van de nozzleplaat van zandfilter 7.

Beoordeling van de verankering op kolommen

Een kritisch onderdeel van het onderzoek betrof de verankering van de nozzleplaten op de onderliggende kolommen. In zandfilter 7 is de plaat na het bezwijken circa 15 cm opgetild, waarbij alle verankeringen zijn afgebroken. Doordat de restanten van deze verankeringen beschadigd raakten bij het verzagen, konden hier

Analyse en conclusie

De resultaten van de uitgevoerde inspecties, materiaalonderzoek en constructieve verificaties wijzen op een bezwijkmechanisme dat primair is veroorzaakt door overbelasting van de verankeringen vanuit de terugspoelcyclus. Mogelijk heeft hierbij het ontbreken van een zelf borgende moer aan de bovenzijde ook een rol gespeeld. Hierdoor is als gevolg van de langdurige dynamische belasting vermoedelijk speling ontstaan onder de ankerplaten en zijn de verankeringen op den duur ongelijkmatig belast. Dit heeft geleid tot het falen van één of meerdere zwakke schakels en uiteindelijk progressief bezwijken.

Ontwerp nieuwe situatie

Tot slot is, in samenwerking met Waterschap Vallei en Veluwe, door Nebest een nieuw ontwerp opgesteld voor de vervanging van de bezweken nozzleplaten. Hierbij is zorgvuldig rekening gehouden met zowel de technische beperkingen van de bestaande situatie als de belastingseisen vanuit het bedrijfsproces. Zo zijn de afmetingen van de prefab platen geoptimaliseerd op basis van transportmogelijkheden, hijscapaciteit en de bestaande overloopgoten. Nebest heeft bovendien een uitgebreide analyse van de bedrijfsprocessen uitgevoerd om de meest kritieke belastingcombinaties, zowel neerwaarts als opwaarts, in kaart te brengen. Op basis daarvan is het ontwerp van de nieuwe prefab nozzleplaten uitgewerkt, inclusief nieuwe kolommen voorzien van een voorgespannen trekverankering in de bestaande vloer. Ook zijn de opleggingen en voegdetails specifiek ontworpen en doorgerekend om een robuuste en toekomstbestendige oplossing te waarborgen.

Huidige situatie

Begin dit jaar is aannemer Pannekoek GWW B.V. gestart met het realiseren van de nieuwe situatie, op basis van de ontwerpen van Nebest. Ook tijdens de uitvoering zijn we vanuit Nebest nog actief betrokken geweest als adviseur. Op 24 april waren alle nozzleplaten vervangen en zijn de zandfilters weer in gebruik genomen.