thema Filigraine UHSB Parkbrug 6 2 012 34 thema Filigraine UHSB Parkbrug Eén van de drie UHSB-casestudies van het Cement&Beton Centrum is gewijd aan de bouw van een parkbrug in het landgoed Voor- stonden (gemeente Brummen, eigendom van de vereniging Natuurmonumenten). Voor deze realistische case is een ontwerp- team gevormd waarin architectuur, constructie, productie en uitvoering zijn samengebracht. Maximale slankheid en een organisch beeld zijn de leidende thema's in het ontwerp. Met als uitkomst het 'dunste (betonnen) brugdek ter wereld' en een filigraine leuning. Mogelijkheden UHSB uitgewerkt voor brugdek en balustrade Toen de vereniging Natuurmonumenten eigenaar werd van het landgoed Voorstonden werd een plan gemaakt om het sterk verwaarloosde bos met waterlopen en vijvers weer in ere te herstellen. Bij de reconstructie van het cultuurhistorisch waar- devolle parkbos moest op de plaats van de originele 'takken- brug' een nieuwe voetbrug komen. Op de locatie van de brug was een overspanning van circa 18 m nodig om een onbelem- merde waterstroming door de beek te verzekeren. De opgave lag vooral in de inpassing van de constructie in de kwetsbare natuurlijke omgeving, letterlijk en figuurlijk. Het eindbeeld moest harmonieus zijn en de uitvoering moest respect tonen voor de kleinschaligheid van het park. 34_38 6_Parkbrug.indd 34 13-09-2012 09:06:28 Filigraine UHSB Parkbrug 6 2 012 35 q V V l = 20 m V V V M N V H H Mveld = ql21 8 Mstnpnt = ql2 M 18 Mstnpnt 136 Mveld ql2 ql2 1145 Mveld = 0 peil peil = 2 m V N V I II III IV Als casestudie was deze bouwopgave in bescheiden omvang prima. Er was immers sprake van een realistisch project. Het was niet alleen een theoretische oefening; er bestond wel degelijk ook kans op uitvoering als de oplossing in ultra- hogesterktebeton (UHSB) in bouwkosten concurrerend zou zijn met alternatieve oplossingen. Daarnaast was opdracht - gever Natuurmonumenten gemotiveerd om met beton iets bijzonders te doen. De vereniging is niet alleen eigenaar van natuur monumenten, maar ook 's lands grootste eigenaar van gebouwde monumenten. Hun ambitie is als volgt verwoord: "We bouwen liever niet. Maar als we bouwen, dan graag ook meteen een monument." In die visie zijn duurzaamheid en levensduur belangrijke voorwaarden. En in dat opzicht doet UHSB een grote belofte. De architect wilde de brug helemaal in beton maken (fig. 1). Inspiratie voor het architectonische beeld is gevonden in de bladnerfstructuur van het overvloedige bladertapijt ter plaatse. Zo ontstond een constructieve scheiding tussen brugdek en leuning. Constructief zou het logisch zijn geweest de leuning te gebruiken als een ligger voor verstijving van een dun brugdek. Echter, omdat de balustrade zo slank mogelijk werd gehouden, kon hij niet meewerken aan de draagfunctie van het brugdek. Het brugdek is gebruikt als opgave om de sterkte en slankheid van UHSB te testen. De leuning is gebruikt om de beloofde vormvrijheid van het materiaal te benutten. 1 Dr.-Ing Steffen Grünewald TU Delft, fac. CiTG / Hurks prefabbeton ing. Hans Köhne Cement&BetonCentrum ir. Maurice Nio, ir. Matteo Serafini, ir. Anja Verdonk NIO architecten ir. Rogier van Nalta Pieters Bouwtechniek ir. Rob Huijben Hurks delphi engineering Univ.-Prof.Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Technische Universität Dresden ing. Leo Gielbert Strukton Civiel 1 Ontwerp van de Parkbrug voor het landgoed Voorstonden 2 Mogelijke draagsystemen voor de Parkbrug: I) ligger, II) boog, III) ingeklemde lig- ger, IV ) ingeklemde boog UHSB-casestudie De Parkbrug is één van de resultaten van de UHSB- casestudies, een initiatief van het Cement&Beton-Centrum om kennisontwikkeling over en acceptatie van het materiaal te stimuleren. Meer over de UHSB- casestudies staat in het artikel 'Leren van en met elkaar', elders in dit nummer. Het team voor de UHSB-casestudie 'Parkbrug Voor stonden' bestond uit: ? Maurice Nio, NIO architecten ? Rogier van Nalta, Pieters Bouwtechniek ? Rob Huijben, Hurks delphi engineering ? Steffen Grünewald, Hurks prefabbeton ? Leo Gielbert, Strukton Civiel 2 standaard prefab C53/65 f'ck = 65 N/mm 2 fb = 0,6 x f'ck = 39 N/mm 2 E-modulus = 38 500 N/mm 2 ? = 0,86 N/mm 2 toegepast UHSB f'ck = 150 N/mm 2 fb = 0,6 x f'ck = 90 N/mm 2 E-modulus = 50 000 N/mm 2 ? = 2,5 N/mm 2 Materiaaleigenschappen 34_38 6_Parkbrug.indd 35 13-09-2012 09:06:31 Filigraine UHSB Parkbrug 6 2 012 36 thema maaiveld 0 fundering -1700 b.k. brugdek 1516 3600 19 100 36003150 20 000 3150 2800 700100 350350 2800 700100350350 1000 5001500 1516 200 1500 2000 bedding10 000 kN/m ¹ trekband bedding 10 000 kN/m ¹ maaiveld 18,74° 2500 400 1700 400 330/120 80 250/40 400 1700 400 2500 120/330 80 40/250 natte knoop fig. 2), kon het brugdek een verlopende dikte krijgen van 330 mm bij de steunpunten naar 120 mm in het midden van de overspanning. Om de brug een nog slanker aanzicht te geven, is het dek naar de zijkanten toe nog eens verjongd tot 80 mm (fig. 4). De belasting op de brug resulteert in een steunpunts- moment van 410 kNm en een veldmoment van 98 kNm. Ter vergelijking: als ligger op twee steunpunten zou het veld - moment 2060 kNm zijn geweest. Een groot verschil dus met de boogvorm. Qua vervorming bleek de brug zoals beoogd inder - daad zeer stijf. De verticale vervorming bedroeg minder dan 40 mm en de opleggingen hadden een horizontale verplaatsing van maximaal 13 mm. Vanwege de malkosten en het transport wordt het brugdek in twee identieke delen geprefabriceerd, met een voeg precies in het midden van de overspanning. Op de bouwplaats worden de twee helften neergelegd op stempels en op het landhoofd. Vervolgens worden de twee helften gekoppeld met een natte verbinding. Daarna wordt het brugdek momentvast aangestort aan het landhoofd. De balustrade Het bladmotief van de leuning is onderwerp geweest van zeer Het brugdek Het brugdek is ontworpen op een belasting van 500 kg/m 2. Doel was een zo dun mogelijk brugdek, met als randvoor - waarde dat de leuning constructief niet mocht meewerken. De optimale constructie voor een dun brugdek is de boogvorm (fig. 2). Zeker voor UHSB is deze vorm zeer geschikt omdat het brugdek hierbij voornamelijk op druk wordt belast en de druk- sterkte van UHSB veel hoger is dan van normaal beton. Nadeel van een boogbrug is echter dat de horizontale spatkracht moet worden afgedragen. Dit is opgelost door de landhoofden onder het water van de ondiepe beek te koppelen. De boogvorm van het brugdek is hiervoor als het ware doorgetrokken in het land- hoofd tot vlak onder de bodem van de beek (fig. 3). Aandachts- punt bij boogbruggen is de gevoeligheid voor verplaatsing van de opleggingen. Een kleine verplaatsing van het steunpunt heeft grote gevolgen voor de krachtswerking in de boog. Door het brugdek in te klemmen in de landhoofden is de invloed hiervan verkleind. Dit zorgde er bovendien voor dat het moment in het midden van de overspanning werd beperkt. Uiteindelijk ontstond een optimale krachtswerking voor een robuust en zeer dun brugdek. Met het UHSB dat Hurks beschikbaar had (de aangenomen rekenwaarden staan in het kader 'Materiaaleigenschappen' bij 3 4a 4b 4c 34_38 6_Parkbrug.indd 36 13-09-2012 09:06:36 Filigraine UHSB Parkbrug 6 2 012 37 3 3D-model van de draagconstructie 4 Detailtekeningen met a) het aanzicht en b) en c) twee dwarsdoorsneden van het brugdek 5 De rechte kant van het balu strade-element wordt verbonden met het brugdek 6 Detail van de gefreesde kunststofmal voor het balustrade-element moest ongescheurd uit de mal komen en 2) in de uiterste grenstoestand was een karakteristieke buigtreksterkte van minimaal 27,8 N/mm 2 vereist, die afgeleid is van een haalbaar geachte ontwerpwaarde. Bij het ontwerp van de nerven werd rekening gehouden met het te verwachten trekgedrag van het toegepaste mengsel. Veiligheidsfactoren zijn in de ontwerp- waarde van de buigtreksterkte meegenomen. De leuning heeft drie verschillende doorsneden. Te onder - scheiden zijn de randbalk, de dragende nerven en de nerven die de randbalk en dragende nerven verbinden. De dikte van de nerven varieert tussen 12 en 24 mm. Bij het ontwerp van de nerven werd ervan uitgegaan dat een voetganger op een nerf zou mogen stappen zonder dat de nerf kapot gaat of een grotere vervorming ontstaat. Foto 5 toont het gestorte balustrade-element na het ontkisten. De balustradeleuning wordt door zijstijlen met ankers gekoppeld met het brugdek. Het ontkisten vraagt speciale aandacht omdat het betonopper - vlak vrij groot is en hijsankers moeilijk zijn te plaatsen. Tijdens uitvoerige discussies. Het esthetische beeld is verbluffend, maar technisch razend ingewikkeld. Geheel in overeenstemming met de casestudiegedachte zijn de technische grenzen opgezocht. De balustrade bestaat uit verschillende elementen die in hori- zontale richting niet zijn gekoppeld en daarom ook niet constructief meewerken bij het brugdek. Toch zal hij moment- vast moeten worden gekoppeld aan het brugdek. Terwijl de architect uitgaat van een volledig betonnen oplossing van de verbinding, is er bij de constructeur behoefte aan stalen veran- keringen. Conform de veiligheidsvoorschriften moet worden gerekend op een forse horizontale kracht van 1 kN/m op de bovenrand van de leuning. Dat vergt een grote stijfheid van de verbinding leuning-brugdek. Er waren ook veel vragen over de fabricagemogelijkheden, zoals: 'Wat zijn in het productieproces de kleinste maten voor de 'nerven'?' Voor de balustrade is een speciaal mengsel ontworpen. De maxi - male korreldiameter van dat mengsel was 1 mm en het vezel - gehalte (mengsel van 12 en 20 mm staalvezels) was 300 kg/m 3. Uitgaande van staalvezelbeton kan de traditionele betondekking vervallen. Maar er is toch een praktische maat nodig om het vezelbeton in te kunnen gieten, en ook een minimale maat om voldoende robuustheid te hebben tegen stoten en slagen. Ook de economische afwegingen spelen een rol. Welke repetitie is er mogelijk? Vormvrijheid leidt al snel tot kostbare mallen. Een malig gebruik maakt dat onbetaalbaar. Wat te denken van de productie - techniek? De nervenstructuur wordt gekenmerkt door veel inge - sloten 'sparingen'. Gezien het hoge cementgehalte van UHSB is de krimp in de verhardingsfase veel hoger dan gebruikelijk. Daar - door is het risico van scheurvorming tijdens de verharding ook groot, vooral rondom de ingesloten sparingen. Uiteindelijk is besloten de mogelijkheden van UHSB te onder - zoeken door een proefelement te maken van het zeer ranke ontwerp. De eisen aan het mengsel waren hoog: 1) het element 5 6 34_38 6_Parkbrug.indd 37 13-09-2012 09:06:38 Filigraine UHSB Parkbrug 38 thema -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 00 2 4 6 8 10 12 14 UHSB met polymeren (geen vezels, minder superplasticeerder, 0.22% SAP, extra water 0.06)UHSB referentie (geen vezels, minder superplasticeerder)UHSB referentie (geen vezels, 100% superplasticeerder) autogene vervorming [µm/m] autogene krimp na de zetting tijd [d] 7 Autogene krimp na de zetting van UHSB met en zonder polymeren 8 Balustrade-element na het ontkisten vooronderzoek werd de geschiktheid van een aantal maltypen onderzocht en werd voor het storten UHSB met staal- en kunststofvezels toegepast. Omdat maar één balustrade-element zou worden geproduceerd, viel de keuze op een gelakte poly - styreenmal die volgens de ontwerptekening uit aan elkaar geplakte kunststofblokken gefreesd werd. Foto 6 toont de gefreesde mal en een detail met een kruispunt van nerven. Om de leuning te kunnen produceren en aan de hoge eis met betrekking tot buigtreksterkte te kunnen voldoen, werd een geoptimaliseerd UHSB-mengsel ontwikkeld. Korte en langere staalvezels werden in een combinatie toegevoegd. Het balustrade-element werd drie dagen na het storten ontkist. Probleem daarbij was dat UHSB in de eerste dagen na het storten meer kan krimpen dan conventioneel beton in weken. Autogene krimp treedt op en spanningen ontstaan, vooral door de zeer fijne poriën en een tekort aan water; de water-cement- factor van UHSB is duidelijk lager dan voor een volledige hydratatie noodzakelijk zou zijn. Autogene krimp vindt ook plaats als beton tegen uitdroging is beschermd. In samenwerking met de Technische Universität Dresden werden proeven uitgevoerd naar de invloed van polymeren op de autogene krimp van UHSB. Figuur 7 toont drie krimp - metingen van mengsels zonder vezels. De polymeren (blauwe curve) hebben een grote invloed op de vervorming van het proefstuk (35% krimpreductie), die vooral in de eerste vier dagen na het storten plaatsvindt. De toegevoegde polymeren hadden ook een grote invloed op de verwerkbaarheid. De vereiste aanpassing van de mengsel - samenstelling met betrekking tot de waterbehoefte had gevolgen voor de sterkteonwikkeling. In vergelijking met het referentiemengsel zonder polymeren (druksterkte: 165 N/mm 2) was de druksterkte slechts 122,5 N/mm 2 na 28 dagen (na zeven dagen: 117,1 N/mm 2). De invloed op de buigtreksterkte was kleiner (buigtreksterkte na zeven dagen: 35,3 N/mm 2, met een standaardafwijking van 4,6 N/mm 2; en na 28 dagen: 36,5 N/mm 2, met een standaardafwijking van 2,5 N/mm 2). De buigtreksterkte werd bepaald met prisma's van 40/40/160 mm. De proeven werden krachtgestuurd uitgevoerd. Bouwkosten en toekomstperspectief Zoals aangegeven, zijn de grenzen van het materiaal, construc- tie en productietechniek voor de Parkbrug opgezocht. Vanuit de opdrachtgeverszijde was er geen taakstellend budget aange- geven. Het zal dan ook geen verwondering wekken dat het brugontwerp nogal duur is uitgevallen. Voor een eenmalige uitvoering is dat dan ook niet haalbaar gebleken. Inmiddels heeft Natuurmonumenten voor dit project gekozen voor een traditionele houten brug, voor circa een kwart van de kosten die voor de UHSB brug nodig zouden zijn geweest. Op het gebied van duurzaamheid en onderhoud scoort deze houten brug echter minder goed. De keuze is begrijpelijk, zeker ook gezien de huidige context van economische crisis en drastische beperking van bouwbudgetten. Niettemin heeft de opdrachtgever zijn grote waar dering voor het ontwerp uitgesproken en de wens om in de toekomst tot realisatie te komen. Van belang blijft de vraag of de UHSB brug bij uitvoering voor een serie bruggen wel concurrerend zal zijn ten opzichte van alternatieven, die qua beeld en duurzaamheid gelijkwaardig zijn. ? 8 7 34_38 6_Parkbrug.indd 38 13-09-2012 09:06:45