Brug van plastic en beton2 201614Op 12 februari 2016 is in Alkmaar de nieuwe Nelson Mandelabruggeopend. Bijzonder aan deze beweegbare brug zijn zowel devormgeving als het materiaalgebruik. Het beweegbare deel isuitgevoerd in vezelversterkt kunststof (VVK, ofwel composiet) ende gewapend betonnen aanbruggen zijn voorzien van gewichts-besparende elementen. In ongeveer een jaar tijd is de verbindingontworpen, gerealiseerd en opengesteld voor gebruik.Brug van plastic enNelson Mandelabrug de grootste beweegbare composietbrug ter wereldDe Nelson Mandelabrug zorgt voor een ontsluiting van hetAlkmaarse bedrijventerrein Beverkoog over het kanaal Omval-Kolhorn richting de N242. De nieuwe brug is een tafelbrug:een composiet beweegbaar middendeel wordt via balansarmenonder de aanbruggen en met behulp van contragewichten opge-heven. De brugval is 22,5 m lang, waarmee de Nelson Mandela-brug de grootste beweegbare composietbrug ter wereld is.Aanvankelijk had Alkmaar het idee een vaste brug te bouwenmet een doorvaarthoogte van 3,70 m. Na protest van bedrijvenuit de omgeving is dit aangepast met een beweegbaar deel. Ditresulteerde in een doorvaarthoogte van 4,90 m, wat aansluit opBrug van plastic en beton 2 2016 151 Nelson Mandelabrug met beweegbaar deel van composiet2 3D-CAD-model Nelson Mandelabrugbron: SBE3 Bewegingswerk ge?ntegreerd in de pijlersbron: Demakovervaardigd van in situ gestort gewapend beton. De tweeaanbruggen voeren over de dijken, aan beide zijden van hetkanaal, die fungeren als regionale waterkeringen.De dekken rusten op twee, in het kanaal geplaatste, pijlers dietevens fungeren als machinekamers voor de elektromechanischebewegingswerken en op twee landhoofden, waarvan het weste-lijke landhoofd ruimte biedt voor de technische installaties.De pijlers vallen op door hun slanke vormgeving met veelschuine vlakken en de manier waarop de bewegingswerkenhierin zijn ge?ntegreerd.OntwerpNa gunning aan de combinatie (D&C-contract) is directgestart met het ontwerp en de aanvraag van de omgevings-vergunning. Er was hierbij ook geen tijd te verliezen aangeziener in acht weken een definitief ontwerp moest worden gereali-seerd. De meest urgente onderdelen van het uitvoeringsontwerpwerden al acht weken later verwacht! Om dit mogelijk te maken,is al in de aanbiedingsfase een serieuze ontwerpinspanningverricht. Zowel het civiele ontwerp (fig. 2), het bewegingswerk(fig. 3) als het VVK zijn door de verschillende ontwerpendebeton1ing. Martin de GraafDIMCO B.V.de doorvaarthoogten van de overige bruggen over het kanaal.Deze vrije doorvaarthoogte is voldoende voor de scheepvaart diein CEMT-klasse I valt en in de toekomst mogelijk klasse II wordt.Opbouw brugconstructieDe brug is gerealiseerd in drie overspanningen waarvan demiddelste overspanning een beweegbare brug is. De brugvalvan composiet (VVK) heeft een lengte van circa 22,5 m en eenbreedte van 12 m. De twee buitenste overspanningen, deaanbruggen met een lengte van 21 m, zijn geheel traditioneel23Brug van plastic en beton2 2016164 Fabricage brugdeel in twee delen met langsnaad midden dekfoto: DIC5 Dwarsdoorsnede brugval en aanzicht stalen balkbron: DICBrugval van composietMateriaalkeuze en vormgevingOmtrent de materiaalkeuze van de brugval heeft de opdracht-gever de vrijheid in de tenderfase gegeven tussen staal of kunst-stof. Dat de keuze uiteindelijk viel op kunststof heeft te makenmet het feit dat deze oplossing niet significant duurder was dande staalvariant, maar wel aanzienlijke voordelen kende tenaanzien van life cycle cost. Het uitgangspunt voor de brugval iseen levensduur van 100 jaar. Het materiaal composiet heeftweinig tot geen onderhoud nodig en was daarom de meestduurzame variant.Een bijkomend voordeel was het lagere gewicht van VVK tenopzichte van staal. Dit had een positief effect op de capaciteitvan de fundering, de benodigde hoeveelheid pijlerwapening ende belasting. Door de lagere belasting had de brug minderballastgewicht nodig en kon de benodigde capaciteit van hetbewegingswerk omlaag.Het voor de brugval toegepaste VVK bestaat uit glasvezel metvinylesterhars. De thermische uitzettingsco?ffici?nt is circa20% hoger dan van beton en staal. Wat betreft de sterkte is hetvergelijkbaar met de betere staalkwaliteiten met een toelaatbarespanning van ruim 400 MPa in de langsrichting van het mate-riaal. De van tevoren opgelegde constructiehoogte was goedhaalbaar. Ook een slankere constructie was met het VVK zekermogelijk geweest.Evenals bij de bouwmaterialen beton en staal, is de vormgevingvan de doorsnede zo goed als onbeperkt. In het geval van deNelson Mandelabrug zijn de schampkanten en de middenopstortook meteen vervaardigd in VVK, zodat de handelingen na hetplaatsen beperkt waren tot het aanbrengen van de randelementenen de hiermee ge?ntegreerde leuningen.Een mogelijk nadeel van het toepassen van een relatief nieuwbouwmateriaal is de onbekendheid bij de toetsende partijen.Gelukkig hadden partijen voldoende kennis in huis om inhou-delijke discussies te kunnen voeren en daarbij ook tot overeen-stemming te komen.Uitwerking brugvalOm de brugval zowel in de fabriek als op locatie te kunnenhanteren, is het dek in twee delen uitgevoerd met een langs-naad in het midden van het dek (foto 4). Ter plaatse van delangsnaad zijn de twee brughelften op de definitieve locatiedoor middel van stalen bouten aan elkaar verbonden. Aande kopse kanten van het dek zijn rechthoekige stalen kokersgesitueerd (fig. 5 en 6). Deze kokers zijn ook weer met boutenaan de twee dekhelften verbonden. Het toepassen van stalenkokers was niet strikt noodzakelijk voor de sterkte van hetbrugdek, maar is gekozen uit praktisch oogpunt. Het bevesti-gen van de stalen geleidingsbuizen en balansarmen van hetpartijen met behulp van 3D-software uitgewerkt. Hoewel metverschillende pakketten is gewerkt, bleek het toch mogelijkdoor middel van universele uitwisselingsbestanden deverschillende modellen te combineren tot ??n model. Ditresulteerde in een mate van raakvlakkenbeheersing en maat-voeringsvastheid die met alleen 2D-tekeningen vrijwel niet iste halen. De 3D-modellen dienden vervolgens als basis voorde 2D-werktekeningen.Proeven TU-DelftAanvullend op de theoretische beschouwingen zijn ook proevenuitgevoerd naar de toepassing van VVK bij TU Delft. Het zwaarte-punt bij de beproevingen lag op het testen van de uittrek- enafschuifweerstand van de boutverbindingen. Tevens zijn de trek-sterkte van de laminaten en weerstand tegen vermoeiing getest.De benodigde waarden werden ruimschoots behaald. Zodrade val geplaatst en functioneel was, is ter plaatse nog een door-buigingstest uitgevoerd en een meting gedaan van de eigen-frequentie. Het bepalen van de eigenfrequentie is gedaan om deaanname uit de berekening te controleren en werd uitgevoerddoor het laten vallen van een groot gewicht op de brugval enhierbij de trillingen te meten met een accelerometer. Uit hetversnellingssignaal kon vervolgens de frequentie worden afge-leid. De resultaten hiervan zijn op het moment van verschijnenvan het artikel nog niet beschikbaar.4Brug van plastic en beton 2 2016 17bewegingswerk en uitvullen ten behoeve van de definitievepassing is eenvoudig te realiseren met staal. In verband met delevensduur is gekozen voor het aluminiseren van de stalenkokerbalken.Plaatsing brugvalDoordat de complete brugval uit vier afzonderlijke hoofdcom-ponenten is opgebouwd, was het mogelijk de val met ??n kraanvanaf de westelijke aanbrug te plaatsen (foto 7). Als eerste detwee brugdelen en hierna de twee kopbalken. Om het geheelsamen te kunnen stellen, is een hulpconstructie gebouwd opbeide pijlers. Het dek werd hierdoor tijdelijk ondersteund en5676 Detail stalen kokerbalk (met mangat) bij aansluiting brugval op aanbrugbron: DIC7 Plaatsing brugdeel met ??n kraan vanaf westelijke aanbrugfoto: R. van der Burgtafwerklaag 8 mmstalen kokerbeton aanbrugasfalt aansluiten op stalen kokerbitumen afdichting tussen dek en staalstalen balk mangaten om de bevestigingsboutentussen de twee delen te kunnen bereikenverbinding metbewegingswerk4515 2000 4515 4001294140411 83012364001278118125Brug van plastic en beton2 2016188 Gewichtsbesparende polystyreen elementen in de aanbruggenfoto: Ren? Pronk, Inveniolag dermate hoog boven de aanbruggen dat de kopbalkenkonden worden geplaatst. Na het koppelen van alle delen metenkele honderden bouten, is de val circa 250 mm lagergeplaatst en gekoppeld met de balansarmen en geleiders vanhet bewegingswerk. Hierna kon de hulpconstructie wordenverwijderd en is de val met behulp van het bewegingswerkafgelaten op zijn opleggingen.AanbruggenDe eerste, voor de hand liggende gedachte was het toepassenvan prefab beton voor de realisatie van de aanbruggen. Enkelecomplicerende factoren hebben echter tot een andere aanpakgeleid. Zo was de gevraagde zeeg van 140 mm bij een overspan-ning van 21 m een onmogelijke opgave voor de geraadpleegdeprefab-betonleveranciers. Daarbovenop zorgde het uitwaaierendedek aan de oostzijde, van een kleine 12 m naar circa 14,5 m,voor nog meer hoofdbrekens. Bovendien zijn de pijlers aan debovenzijde onderbroken, zodat er geen doorgaande opleggingaanwezig is. Deze factoren, gecombineerd met de hogeverkeersbelasting hebben uiteindelijk geleid tot de keuze voorin situ beton.Gewapend beton door gewichtsreductieDoordat de constructiehoogte van het dek vanuit de vormgevingwas opgelegd, was het niet mogelijk hierin te optimaliseren.Het bleek net niet mogelijk de doorsnede zonder voorspanningen dus enkel met traditionele wapening uit te voeren. Dit zouuit plannings- en kostenoogpunt een voordeel zijn. Doortoepassing van gewichtsbesparende `sparingsbuizen' vanpolystyreen in het dek, werd de benodigde gewichtsreductiegerealiseerd om toch traditioneel te kunnen wapenen en eenconventionele betonsterkteklasse C35/45 toe te passen (foto 8).Om het beton goed te kunnen verdichten rond de polystyreensparingen en om het probleem van opdrijven van het polysty-reen te voorkomen, werd het dek in twee fasen gestort.De toepassing van de benodigde twee lagen wapening ?32 aande onderzijde van de doorsnede (fig. 9) vroeg om specialemaatregelen. Zo was de toepassing van overlappingslassen eenprobleem in verband met de positionering van de staven tenopzichte van de verticale wapening en de beschikbare tussen-ruimte voor het beton. De bedachte oplossing met staven uit??n stuk (21 m lang) bood door de te lange levertijden helaasgeen uitkomst. Uiteindelijk is gekozen voor het aanbrengen vanLenton-koppelingen met het bijbehorende schroefdraad.8Brug van plastic en beton 2 2016 192141434021424443444344658 97 71 25 ?16-1505 ?12-1505 ?16-150?12 L = 2,07 m?12 L = 12,21 m?12 L = 1,87 m?12 L = 2,04 m2 ?32-1506 ?166 ?16 6 ?166 ?166 ?166 ?168 9 10263843?12 L = 1,15 m ?12 L = 1,19 m567 7777515?12 L = 2,07 m2 ?32-15021?16 L = 12,21 m9 Deel uit wapeningstekening aanbruggenbron: SBE10 Tijdelijke ondersteuning aanbrug met HE1000B-liggers en stempeltorensfoto: P. BoutenHiermee verviel de noodzaak van overlappen en konden destaven over de volledige lengte van het dek een vaste positiehouden. Uiteraard gaan bij de toepassing van koppelingenvermoeiingseisen een grotere rol spelen. Een grondige checkwees echter uit dat dit geen onoverkomelijke problemenopleverde, zolang de koppeling maar niet in het midden vande overspanning werd aangebracht.UitvoeringDe keuze voor in situ beton bracht ook de nodige uitvoerings-technische uitdagingen met zich mee. Zo moest er een bekistingworden gerealiseerd ter plaatse van een kwetsbare, niet-draag-krachtige ondergrond en dijken die, zoals eerder gemeld, fungerenals regionale waterkeringen. Om deze dijken te ontzien, was inde aanbiedingsfase al gekozen voor een stalen hulpconstructiedie overspande van pijlervoet naar landhoofdvloer.De hoofddraagconstructie van de ondersteuning bestond uitstalen liggers HE1000B, op een onderlinge afstand van circa 1,2 mtot 1,8 m (foto 10). Hierop bevonden zich de stempeltorens,waarop vervolgens liggers en bekistingsplaat waren bevestigd.Ondanks de forse liggers bleek uit de doorbuigingsberekeningendat in het midden van de overspanning een doorbuiging vanbijna 60 mm zou optreden onder volledige belasting. Daarkwamen nog bij de benodigde extra zeeg ten gevolge van dedoorbuiging van het betonnen dek van eveneens 60 mm plusde eindzeeg van 140 mm. Hieruit resteerde een totale benodigdevoorinstelling van de bekisting van 260 mm! Zoals verwachtheeft de constructie zich gedragen als voorspeld en resteerde naontkisten nog zo'n 30 tot 40 mm voor asfalteren, afbouw entijdsafhankelijke effecten als kruip en relaxatie.910Brug van plastic en beton2 20162011 Net ontkiste pijlersfoto: P. Bouten12 Detail blokdeuvels stalen buispaal funderingbron: SBEFunderingIn verband met de aanwezigheid van de kwetsbare waterkeringenwas het heien van funderingspalen niet toegestaan. Omeenvoudig te kunnen werken in het water van het kanaal enschoorstanden tot 1:4 mogelijk te maken, is gekozen voorhoogfrequent ingetrilde stalen buispalen met een diameter van610 mm. Voor de momentvaste verbinding van de stalen buis-palen in de pijlervoet en landhoofdvloer is gekozen voor eenmethode met blokdeuvels, hier uitgevoerd als drie stalen ringenrond de kop van de paal (fig. 12). Het voordeel hiervan is datde nokken zowel (grote) trek- als drukkrachten kunnen over-brengen in het beton en wapening grotendeels overbodigmaakt. Door een strakke productieplanning resteerde helaasgeen tijd om de blokdeuvels van te voren aan te brengen, maarmet behulp van een tent voor een geconditioneerde omgevingen voldoende lassers werd deze klus tijdig op locatie geklaard.RemmingwerkWat betreft het remmingwerk was het nog een uitdaging nieteen buitenproportionele constructie te ontwerpen om tekunnen voldoen aan de Eurocode, ROK (Richtlijnen OntwerpKunstwerken) en ERBI (Eisen en Richtlijnen Bouw- en Infra-projecten van de provincie Noord-Holland). Vanuit deopdrachtgever was een doorbuigingseis aan de afzonderlijkebuispalen gesteld van 0,5 m, de diepte van het kanaal is terplaatse van het remmingwerk echter slechts circa 1 m. Er is dusweinig paallengte beschikbaar om deze (elastische) doorbui-ging te ontwikkelen. Bovendien waren de voorgeschrevenaanvaarbelasting en -snelheid dusdanig hoog dat een zwarebuispaal was benodigd om niet te bezwijken. Het nadeel vantoepassen van een grotere diameter buispaal is de toenemendestijfheid en daarmee het optredend moment, tezamen met eenPijlersOm de vormgeving van de pijlers met de vele rondingen,sparingen en hellende vlakken het best tot hun recht te latenkomen en lelijke stortnaden te vermijden, werd besloten hetgedeelte boven de pijlervoet ineens te storten. Voor de bekistingwerd ge?nvesteerd in een vooraf in de fabriek samengesteldehouten bekisting die met chirurgische precisie is vervaardigden gedetailleerd. Hiertoe is een proefstuk gestort om te bepalenhoe de rondingen het best konden worden uitgevoerd incombinatie met de gekozen mengselsamenstelling. In overlegmet de architect is ervoor gekozen de overgang tussen pijler enpijlervoet uit te voeren met een cannelure om een geaccentu-eerde en strakke lijn te verkrijgen in plaats van een traditionelestortnaad (foto 11).111313 Doorsnede buispaal remmingwerkbron: SBE14 Remmingwerk bestaande uit vier onderling gekoppelde buispalenfoto: R. van der BurgtwrijfbalkHEB280PL15PL20PL156 x M2712 x M271504572805093712609,6584,6 12,512,5505515015075co?rdinatiepuntinheiniveau30555005050505010010010012Brug van plastic en beton 2 2016 21beperking van de vervormingscapaciteit en een hogere belastingvan de ondergrond. De oplossing is gevonden in een relatiefslanke paaldiameter voor een grote vervormingscapaciteit meteen grote wanddikte voor de benodigde sterkte. Na uitgebreidestudie van de mogelijke en onmogelijke aanvaarhoeken envaarsnelheden lukte het uiteindelijk met vier ? door middel vandoorgaande gordingen onderling gekoppelde ? buispalen tevoldoen aan de eisen (fig. 13 en foto 14). De buispalen zijn meteen diameter van 457 mm nog relatief slank, de niet-zichtbarewanddikte bedraagt echter 40 mm!Tot slotBinnen een zeer kort tijdsbeslag is de Nelson Mandelabruggerealiseerd. Het gebruik van een nog niet-ingeburgerd enrelatief onbekend materiaal is hierbij geen beperking geweest.Hoewel er zeker een aantal verschillen te noemen is met hetbouwen met een traditioneel bouwmateriaal, is het werken metcomposiet in de praktijk niet wezenlijk anders geweest dan bijandere bouwprojecten.Een andere uitdaging binnen het project was het werken in hetspanningsgebied tussen de bewegingswerken, architectonischevormgeving, civiele betonbouw en wet- en regelgeving.Geconcludeerd mag worden dat de gemeente Alkmaar er eenbrug bij heeft waar zowel de bouwers als de stad trots opkunnen zijn. PROJECTGEGEVENSproject Nelson Mandelabrugopdrachtgever Gemeente Alkmaaropdrachtnemer Combinatie Beverbrug vof: DIMCO B.V.(voorheen CFE Nederland B.V.) en Demako nv)vormgeving Joris Smits van Royal HaskoningDHV metondersteuning van Movarestoetsing ontwerp Movaresciviele deel ontwerp SBE (Belgi?)ontwerp & productie composiet Delft Infra Composites(DIC), onderdeel van Takke Breukelenontwerp & fabricage bewegingswerken Demako,Zwijndrecht (Belgi?)ontwerp & uitvoering besturing elektrische installaties,verlichting, VRI's Agidens (voorheen Egemin)betonleverancier Mebin Alkmaar B.V.opening 12 februari 2016Waterkering en bouwkuipOmdat te allen tijde een functionele waterkering aanwezig moetzijn aan zowel de west- als de oostzijde van het kanaal, kreeg dein damwand uitgevoerde tijdelijke bouwkuip voor de pijlers eendubbelfunctie als tijdelijke waterkering. De langsgording is aande buitenzijde van de bouwkuip geplaatst (vaartzijde) enfungeerde daar tevens als geleiding voor de scheepvaart.Door het van toepassing zijn van voorschriften van de TAW1)(Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen) en deSTOWA (Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer), werd dedamwand iets zwaarder dan enkel voor de bouwkuip nodig zouzijn geweest. Dit had als groot voordeel dat de dijken tijdelijkhun functie verloren en deels konden worden afgegraven omruimte te bieden aan de ondersteuningsconstructie voor deaanbruggen.1) De TAW is in 2005 overgegaan in het Expertise Netwerk Waterveiligheid (ENW).14