BETONNEN BOOGBRUG KOMTTERUG IN NEDERLANDHERNIEUWDE BELANGSTELLING DANKZIJ TOEPASSING VANHOGE-STERKTE-BETONir.A.P.M.Plagrneijer, adviesbureau Aronsohn bv, Rotterdamdr.ir.C, van der Veen en prof.dr.irJ.C.Walraven, TU Delft, faculteit Civiele Techniek, sectie Betonconstructiesing.N.Kaptijn, Bouwdienst RijkswaterstaatAl tientallen jaren zijn in Nederland geen betonnen boogbruggen meer gebouwd. Inmenig brugontwerp wordt dit brugtype zelfs niet eens meer als alternatiefbekeken.De reden hiervoor is hoofdzakelijk van economische aard. Ook het feit dat hetgebruik van hulpondersteuningen in de te kruisen vaarweg steeds vaker werdverboden, maakte de boogbrug steeds minder aantrekkelijk. Het was immersmogelijk geworden bij andere brugtypen (uitbouwbrug, tuibrug enz) zonderhulpondersteuningen te bouwen. In het kader van een afstudeeropdracht bij desectie Betonconstructies aan de TU Delft is - in samenwerking met de BouwdienstRijkswaterstaat -onderzocht ofbij toepassing van moderne bouwmethoden debetonnen boogbrug weer een serieus alternatiefkan worden in de Nederlandsebruggenbouw. Daarbij leent de boog, die hoofdzakelijk opdruk wordt belast, zichuitstekend voor de toepassing van hoge-sterkte-beton.In de studie [1] isde nieuwte bouwenLekbrug bij Vianen gedimensio-neerd met een hoofdoverspanningvan 165 m. Deze brug, die aan de west-van de bestaande stalen boogbrug(fig. 1)komt te liggen, zal in de toekomsthet verkeer in de richting Den Boschmoeten gaan verwerken.Het dwarspro-fiel van de nieuwe brug, met een totalebreedte van 32 m, zal uit vier rijstroken,een vluchtstrook en een parallelweg be-staan.Uitde voorstudieblijktdathetop dewalbouwenen daarna invarenvan de boog-brug de beste bouwmethode is.De gehele brug wordt hierbij op de walofop steigersgebouwd, op pontons naarde plaats van bestemming vervoerd endoor middelvan vijzelsop de definitieveopleggingen geplaatst. Om de vaarmas-sa te beperken zal het prefab rijdek pasna hetplaatsenvan de brugworden aan-gebracht. De vaarmassa zal van dezelfdeorde van grootte zijn als dat van de VanBrienenoordbrug, circa 5000 t.DimensioneringboogbrugUitgangspunt voor de keuze van dedoorsnedevorm van boog en trekbandis, dat de boog een zo groot mogelijk22deel van de belasting (lees:moment) zalopnemen. Dit betekent dat de boog-doorsnede een zo groot mogelijke buig-stijfheid moet bezitten ten opzichte vande rrekband, met een zo laag mogelijkeigen gewicht. De keuze voor een ko-kervorm ligt dus voor de hand. Voor detrekband wordt dan gekozen voor eenrelatiefslappe constructie, bestaande uiteen massieve(centrisch) voorgespannenligger, waartussen een prefab rijdekwordt bevestigd (fig. 2).Boog en trekband zijn in eerste instantiegedimensioneerd in beton B 45.Bij de dimensionering van de brug isook de invloed beschouwd van een mo-gelijke afwijking in .depermanente be-lasting. Hierbij is een zelfde afwijkingaangehouden als bij een eerdere studievoor een tuibrug is gevonden, namelijk5% voor het eigen gewicht en 20% voorde rustende belasting [2].Zowel bij de boog- als bij de tuibrugworden deze afwijkingen gecompen-seerd door de hang-, respectievelijk tui-kabels meer ofminder voor te spannen.Hetgedrag van beidebrugtypenop dezeafwijkingen is echter wezenlijk anders:in tegenstelling tot de tuibrug veroor-zaakt een ongelijkmatig verdeelde af-wijking in de permanente belasting bijeen boogbrug wel grote buigende mo-menten in de constructie (fig. 3).De hangkabels worden namelijk zoda-nigvoorgespannen,darde trekbandzichin de gebruiksfase gedraagtalseen liggerop n vaste steunpunten. Ten opzichtevan elk belastingsverschil gedraagt detrekband zich echter als een ligger optwee vaste en n-2 verende steunpunten.Doordathet aandeel van de permanentebelasting bijna 80% bedraagt van de to-tale belasting, gedragen de hangkabelszich als zeer stijve veren.Bij een tuibrug gedragen de tuikabelszich duidelijk minderstijfalsgevolgvande kabelhelling en (in mindere mate)het kleinere aandeel van de permanentebelasting in de totale belasting.Toepassing hoge-sterkte-betonUitgegaan is van beton B 80, dit is eensterkteklasse die nog juist zonder groteaanpassingen ineen normale betoncen-trale kan worden gemaakt.Het toepassen van hoge-sterkte-betonin de boog heeft de volgende voordelen:- vermindering van het eigen gewichtvan de boog. Ditisvooral gunstig in deCement 1993 nr. 4sba4Onderzochte boogdoorsneden inhoge-sterkte-beton3 Momentenlijn in bezwijkfase bijvolbelasting (a) en bij halvevolbelasting (b)Voor de benodigde afmetingen van deboog in B 80 zijn ten aanzien van debuigstijfheid van de boog - in vergelij-king met de buigstijfheid bij toepassingvanB 45 twee gevallen onderscheiden:a. Hetmin ofmeer houdenvan debuigstijfheid (fig. 4a).Dit is bereikt door. de constructie-hoogte gelijk te houden en de diktevan de boven- en onderwand te ver-minderen. Hierdoor blijft de mo-mentenverdeling over boog en trek-band hetzelfde. De trekband heeftnamelijk al minimale afmetingen; dedoorsnede heeft nagenoeg geen re-servemeervoor het opnemenvan eenbouwfase, zowel ten aanzien van deplaatsing van de boogsectiesalshetin-varen van de gehele brug. Ook de on-derbouw kan lichter worden uitge-voerd;- vermindering van de hoeveelheid be-ton en beronstaal;- vergroting van de duurzaamheid vande boog. Eventuele reparaties aan deboog zullen immers vanwege deslechte bereikbaarheid zeer kostbaarworden.Belangrijkste nadelen zijn de hogereprijsper m3en de grotere zorg die aan deverwerking moet worden besteed.Bestaande Lekbrug bij Vianen12Doorsnede boog en trekband inbetonB 45Cement 1993 nr. 4 23100000252560034IIII,1400 I 300 Imm?, bijvoorbeeld 30 0 25 boven enonder (fig. 6).Vanwege de minimaal vereistening - die voor deze variant weliswaarkleiner is door de kleinere betondoor-snede - zalhet verschilin wapeningvoorde gehele boog minder groot zijn.Uit de bepaling van het bezwijkmo-ment bij deze wapeningsdoorsnedevoor verschillende waarden van de nor-maaldrukkracht,blijkt darde aanwezigenormaaldrukkracht (Nd = 60 034 kN)een nagenoeg optimale waarde bezit(fig. 7).Behalve de forse wapeningsreductieheeft deboog ook 21%minder beton no-dig dan bij B 45. Dit betekent ondermeer dat lichtere hulpconstructies kun-nen worden toegepast.Uitgaande van een rrr'-prijs (vanaf de5b50000(kNloEpraktische afmetingen heeft, zal deoplossing gevonden moeten wordenin vergroting van de buigstijfheid vande boog: een ongewenste situatie!7 tussen normaa1drukkracht en bezwijkmoment bij gekozenwapenmg6 Wapen?ng in boogdoorsnede inbetonB 805 Inwendige krachten in trekbandConclusie: Toepassing van hoge-sterk-te-beton in de trekband levert geenvoordelen op.ResultatenHet min of meer gelijk houden van destijfheidsverhouding tussen boog entrekband (gevala.)blijkt de beste resul-taten te geven.De benodigde wapening voor de boogneemt in de maatgevende doorsnedemet 56%(!) af ten opzichte van B 45. Hetwapeningspercentage voor de geheleboogdoorsnede bedraagt nu slechts 1%,dit houdt overigens nog wel een totalewapeningsdoorsnede in van zo'n 30 000Toepassing van hoge-sterkte-beton inde trekband stuit op twee problemen:- Wordt degroottevan het bezwijkmo-ment nader beschouwd, dan blijkt datde normaal(trek)kracht een ongunsti-ge invloed heeft.Bij toename van de betondruksterktezal de hoogte van de betondrukzoneafnemen. Dit heeft weliswaar een ver-groting van de hefboomsarm van devoorspanwapening tot gevolg, maarook een vergroting van de hefbooms-arm van de normaal(trek)kracht(fig. 5).Omdat deze normaalkracht een groot(ongunstig werkend) aandeel heeft inhet bezwijkmoment, zal het uiteinde-lijke voordeel gering zijn. Hierbijmoet ook worden bedacht dat hoge-sterkte-beton een brosser gedrag ver-toont (lagere bu)' Hierdoor zal dehefboomsarm in mindere mate toe-nemen dan op grond van de hogeredruksterkte te verwachten zou zijn.- De grotere elasticiteitsmodulus vanheeft zowel eengrotere buig- als een grotere rekstijf-heid van de trekbandtot gevolg.Hier-door krijgt de trekband ?n een groterenormaalkracht ?n een groter aandeelvan het maximale moment te verwer-ken.Omdatde doorsnede al minimalegroter moment en (vooral)geen reser-ve meer voor het opnemen van eengrotere dwarskracht.Door de grotere betondruksterkteneemt de arm van de (uitwendige)normaalkracht ten opzichte van hetzwaartepunt van de betondrukzonetoe, waardoor het aandeel van dezenormaaldrukkracht in het bezwijk-momentsterk toeneemt. In B 45 levertdeze normaalkracht al 39%van het be-zwiikmoment, Het aandeel van dewapening in het bezwijkmoment kandus in dezelfde mate afnemen.Het verminderen van het wapenings-percentage wordt overigens beperktdoor het te leveren bezwijkmomentvan de wapening in de bouwfase. waarhet aandeel van de normaalkrachtvrijwel zal ontbreken.b, Hetverminderenvan de buigstijfheidin combinatie meteen sterke reductievan het eigen gewicht (fig. 4b).In dit gevalzal de trekband weliswaareen groter deel van het maximalemoment krijgen, maar door de afna-me van het eigen gewichtzal het tota-Ie maximale moment tevens kleinerworden. Belangrijker is echter datook de trekkracht in de trekband zalverminderen; deze trekkracht heeftnamelijk een ongunstige invloed ophet bezwijkmomentvande trekband.24 Cement 1993nr. 4beroncentrale) voor B 80 die 30%hogerligt dan de voor B 45, geeft datvoor beide varianten een vrijwel gelijkeprijsvoor het beton (0,79 . 1,30 = 1,02).De winst zal dus vooral liggen in de ge-ringere hoeveelheid wapening voor deboog. Hierdoor is ook het beton een-voudiger (en dus goedkoper) te verwer-ken.ConclusiesTen aanzien vanbouwwijzeGezien de krachtswerking in de boog, isbeton het aangewezen materiaal voorboogbruggen.Het bouwen van de brug vormt echtertechnischen financieel het grootste pro-bleem, waardoor betonnen boogbrug-gen in Nederland niet meer als serieusalternatiefworden gezien.In deze studie is daarom uitgegaan vaneen volledig nieuwe bouwwijze voorbetonnen boogbruggen: het op de walbouwen en daarna invaren; een bouw-wijze die overigens voor stalen boog-bruggen al vaker is toegepast.Deze bouwmethodeheeft ook het voor-deel dat de boven- en onderbouwvandehoofdoverspanning gelijktijdig kunnenworden gebouwd, wat een korterebouwtijd betekent.Probleem bij het invaren van de brugblijft echter het grote eigen gewicht vandebrug. In dezestudieisdat opgevangendoor het betonnen rijdek pas aan tebrengen wanneer de brug op de defini-tievesteunpunten ligt. De massavan debrug, zonder rijdek, bedraagt dan onge-veer 5800 t, dit is nog goed te varen.Door toepassing van hoge-sterkte-be-ton inde boog vermindert de massavande brug met zo'n 700 t,Ten aanzien vanmateriaalverbruikDe benodigde afmetingen voor boog entrekband zijn, gezien de overspanningvan de brug, alleszinsredelijk.De relatief zwaar gewapende trekbandheeft minimale afmetingen, de booguitgevoerd in betonB 45 heeft een nor-male wapening.Wanneer de boog wordt uitgevoerd inhoge-sterkte-beton is zelfs sprake vaneen (relatief lichte wapening. Hierbijwordt dan ook optimaal gebruik ge-maakt van de aanwezige normaal-(druk)kracht.Behalve bovengenoemde voordelen isook degeringe constructiehoogte (min-der grondverzet)voordelig.Verderishetgewicht van de brugconstructie aan-zienlijk lager dan dat van een uitbouw-brug, dit heeft eenlichtere fundering totgevolg.Deze voordelen komen voor debrug bijVianen duidelijk naar voren uiteen globale prijsvergelijking van deCement 1993 nr. 4boogbrug met een uitbouwbrug. Deboogbrug blijkt, ondanks een hogerevoor de hoofdoverspanning,even duur te zijn als een uitbouwbrug.Een nadere studie naar het exacte kos-renplaatje (met inbegrip van de korterebouwtijd) zal moeten uitwijzen of deboogbrug wellicht een goedkopere op-lossing voor Vianen is.Literatuurl.Plagmeijer, A.P.M, Betonnen Boog-bruggen. Afstudeerverslag TU Delft,1991.2. Klerks, L.EG., Bezwijkdraagver-mogen tuibrug bij Heusden. Afstudeer-verslagTU Delft, 1990.25