Circulaire en modulaire boogbrug Studie naar modulaire boogbruggen uit gerecyclede en lage-emissiematerialen voor fiets- en voetgangersverkeer 1 Gerealiseerde Circular Arch Bridge op de campus van de TU Delft. Aan de uiteinden zijn geprinte elementen zichtbaar, die de 'Menhirs' zijn gaan heten. Ze brengen de balustradekabels op hoogte en vormen minikeerwanden aan weerszijden van het pad naar de brug (foto: Robert Kroonen) 1 6?CEMENT?6 2025 Bogen De ingenieurs van de Klassieke Oudheid, de Romeinen, bouwden het liefst bogen. De honderden boogbruggen en aquaducten ge- tuigen daarvan. De reden? Een boog draagt vrijwel alleen op drukspanningen. Steen- achtige materialen kunnen uitstekend hoge drukspanningen aan. Een balk of vloer neemt weliswaar weinig ruimte in, maar moet belastingen op de vloer/balk via een ingewikkeld samenspel van druk-, schuif- en trekspanningen naar de oplegpunten leiden. Dit is een weinig eco- nomische bouwwijze. Mits goed gedimensio- neerd en uit een goede kwaliteit materiaal opgebouwd, kan een boog tot in lengte van jaren goed blijven functioneren, zonder al te veel onderhoud. De vele, nog aanwezige Romeinse boogbruggen en aquaducten ge- tuigen hier al 2000 jaar van (foto 2). Over duurzaam bouwen gesproken! Figuur 3 illustreert het effect van boogwerking op het materiaalgebruik. Bij een booghoogte (pijl) van 1/5 van de over- spanning is de boogwerking optimaal. Het materiaalgebruik daalt met een factor 4 ten opzichte van een zuivere buigligger. Er zit echter een addertje onder het gras: een boog leidt tot zogenoemde spat- krachten (zijdelingse krachten) op de opleg- gingen. Deze spatkrachten hebben een hori- zontale component die bij niet-plaatsvaste oplegpunten kunnen zorgen voor vervelen- de bewegingen van de oplegpunten en uit- eindelijk zelfs het instorten van de boog. Ook is het lopen of fietsen over de ideale boog (verhouding 1 op 5) niet makkelijk. Praktisch gezien is een verhouding van maximaal 1 op 10 nodig, wat leidt tot grotere spatkrachten dan bij een verhouding van 1 op 5. Dit alles betekent dat boogbruggen voor fiets- en voetgangersverkeer grote hori- zontale krachten op de opleggingen zullen uitoefenen. Idealiter zou een trekstangverbinding tussen de twee oplegpunten de beste con- structieve oplossing zijn, maar dat is in veel gevallen praktisch niet mogelijk. Een rotsbo- dem voor het opnemen van de grote funde- ringskrachten zou ook welkom zijn, maar is in Nederland niet aanwezig. Daarom zijn er in de Nederlandse (moeras)bodem schoor- palen nodig om de horizontale krachten te kunnen opnemen. Dit leidt tot horizontale verplaatsing van de funderingsblokken, een belangrijk punt van onderzoek naar de boogbrug. Hierover later meer. Modulaire en circulaire bruggen Deze voor- en nadelen van een boogbrug waren een belangrijk vertrekpunt in de stu- die naar een innovatief concept voor fiets- en voetgangersbruggen, die de TU Delft en ENS engineers samen hebben uitgevoerd. Bewust van deze voor- en nadelen is geko- zen voor een boog als basisvorm. Ook circu- lair bouwen was een doelstelling. Dit bete- kent: bouwen met zo min mogelijk afval, constructies die eenvoudig te demonteren zijn en 100% hergebruik van het materiaal. EM.PROF.IR. ROB NIJSSE TU Delft / ENS Engineers, Glass & Swinging Structures IR. PETER EIGENRAAM TU Delft / ENS Engineers, Glass & Swinging Structures IR. ATE SNIJDER TU Delft / ENS Engineers, Glass & Swinging Structures auteurs Op The Green Village, het fieldlab voor duurzame innovatie van de TU Delft, is een studie uitgevoerd naar een innovatief concept voor fiets- en voetgangersbruggen. De studie heeft geresulteerd in een duurzame boogbrug, de Circular Arch Bridge, opgebouwd uit modulaire, herbruikbare betonnen blokken. CEMENT 6 2025 ?7 Een andere belangrijke onderliggende ge- dachte is dat we moeten proberen voor de 'eeuwigheid' te bouwen, dus geen roestvor- ming, rot, vermoeiing, kruip en andere as- pecten die de levensduur negatief beïnvloe- den. Deze uitgangspunten hebben geleid tot de Circular Arch Bridge, opgebouwd uit modulaire, herbruikbare blokken (fig. 4). Beton is in feite een ideaal materiaal om voor de 'eeuwigheid' te bouwen. Een be- langrijke randvoorwaarde: geen wapening in de blokken en zeer goed toezicht op de uitvoering. Zo wordt beton het nieuwe na- tuursteen. Probleem blijft de CO 2 -productie tijdens het vervaardigen van cement. Maar wat betekent dat als we bruggen maken die 2000 jaar mee kunnen gaan? Een ander belangrijk gegeven: gedegen uitgevoerd beton behoeft vrijwel geen onderhoud. Hier- mee zal de totale som kosten van bouwen en onderhoud over 2000 jaar zeer positief uit- vallen. Duurzaam, modulair, circulair Voor de brug waren drie aspecten van be- lang: duurzame materialen in een modulaire vorm voor een circulaire toepassing. Duurzaam: De bouwblokken zijn van duurzame (rest)materialen gemaakt. Door het constructieve principe van de boog toe te passen zijn de blokken onderhevig aan relatief lage drukspanningen. Dit betekent dat de blokken niet gewapend hoeven te worden. 2 Brug van Alcántara, een Romeinse boogbrug, zo'n 2000 jaar oud 3 Materiaalgebruik bij boogbruggen met verschillende hoogte (bron: dictaat Draagconstructies II van de TU Delft Bouwkunde) 4 Concept Circular Arch Bridge THE GREEN VILLAGE The Green Village is een regelluw 'open- lucht-laboratorium' van de TU Delft met een focus op de gebouwde omgeving, waar getest kan worden op wijk-, straat- en gebouwniveau. Onderzoekers, studenten, start-ups, ondernemers en overheden werken er aan diverse inno- vatieopgaven op het gebied van drie thema's: Duurzaam bouwen en renove- ren, Toekomstig energiesysteem en Klimaatadaptieve stad. The Green Village helpt innovatieve partijen te versnellen van theorie naar praktijk. 2 3 4 8?CEMENT?6 2025 Modulair: Met een beperkt aantal ver- schillende standaardvormen van de blokken kunnen bruggen van verschillende afmetin- gen worden gebouwd. Voor deze studie zijn overspanningslengtes tussen 5 en 24 m mo- gelijk. Dit dekt het gros van de fiets- en voet- gangersbruggen in Nederland. Circulair: Met de blokken wordt een brug opgebouwd met de techniek van het droog- stapelen (dry assembly). Deze techniek ge- bruikt geen lijm of cement; de speciale vorm van de blokken en de boogwerking in de constructie maakt dit mogelijk. Droog gesta- pelde constructies zijn geschikt om herhaal- delijk te assembleren en de-assembleren. Door deze mogelijkheid tot direct hergebruik is het bouwsysteem circulair. Uitwerking De grootte van de modulaire bouwblokken is gebaseerd op het uitgangspunt dat ze met een eenvoudig heftoestel kunnen worden verplaatst. De eis van circulariteit leidt ertoe dat er geen lijm of specie tussen de blokken kan worden gebruikt. Immers bij het weer uit elkaar halen van de boogbrug mag er geen belemmering worden ondervonden of schade aan de blokken ontstaan. Dankzij de constructieve boogwerking is dit geen pro- bleem. Alles wordt door de drukkracht in de boog tegen elkaar aangedrukt. De breedte van de boogbruggen is in feite onbeperkt. De modulaire bouwblokken moeten voor de stabiliteit wel in verband worden gelegd. Daarom moeten er voor de randen halve modulaire blokken worden gemaakt (fig. 5). Het ontwikkelde concept gaat uit van een breedte van 1,6 m tot 6,4 m. Vanwege de maattoleranties van de blokken moeten ze vanaf de buitenkant naar het midden worden gestapeld. Zo ont- staat er in het midden een voeg die wel met specie wordt opgevuld (fig. 6). Op deze wijze kan elke maatafwijking worden opgevangen. Gebruikte materialen Door de boogwerking en het feit dat de brug vooral op druk wordt belast, kan een 5 Stapeling van een circulaire boogbrug (in de huidige opzet) met in de breedte verspringende voegen voor de stabiliteit Bij een booghoogte van 1/5 van de overspanning is de boogwerking optimaal 5 CEMENT 6 2025 ?9 relatief laagwaardig materiaal worden toe- gepast. In de studie ging aandacht uit naar het gebruik van secundair materiaal voor de blokken. De volgende materialen kwamen in aanmerking: 1?Circuton (beton met gemalen hergebruikt beton) 2?Geopolymeerbeton 3?Gerecycled glas 4?Baggerspecie verwerkt met cement 7 6 6 Opzet modulaire boogbruggen met overspanningen variërend van minimaal 5 tot maximaal 24 m 7 Experimentele glazen boogbrug beproefd tot bezwijken in het Stevin lab. De boogbrug vertoont na bezwijken een duidelijk robuust karakter (foto: Mike Aurik) 5?Hergebruik van hoogwaardige kunststof 6?Hergebruik van keramische materialen zoals bakstenen, dakpannen en sanitair 7?Natuursteen Na bestudering en beproevingen vielen baggerspecie en kunststof af. Dit vanwege de vorstbestendigheid en drukspanningscrite- ria. Gerecycled glas voldeed wel aan deze criteria. Dit materiaal is dan ook verder 10?CEMENT?6 2025 Vorm van de blokken Behalve drukkrachten ten gevolge van de boogwerking krijgen de blokken ook te ma- ken met dwarskrachten, die leiden tot het gevaar van afschuiving. Daarom is een S-vormige voeg ontwikkeld. Deze vorm voeg roept passingsproblemen op. De diverse blokken zullen nooit allemaal goed in elkaar passen. Daarom is ervoor gekozen de rechte delen van de S-vormige voeg zo vlak moge- lijk te maken en de tolerantie te vinden in de S-vorm. Ter voorkoming van piekspannin- gen was het nodig een relatief zacht en Vanwege de schuif-/dwars- krachten is een S-vormige voeg ontwikkeld 8 Afschuiving in de voeg is voorkomen door voor een S-vormige voeg te kiezen. Maatafwijkingen zijn opgevangen met los vulmateriaal in de voeg BIJDRAGEN Voor de daadwerkelijke bouw van de brug is naast subsidie vanuit het Campus Inno- vation Fund mogelijk gemaakt door bijdra- gen van een aantal organisaties (tabel 1). onderzocht. Met gerecycled glas zijn S-vor- mige blokken gemaakt op de TU Delft (foto 7). Hiervan is een kleine boogbrug vervaardigd en door masterstudent Mike Aurik voor zijn afstuderen beproefd. De glazen boogbrug voldeed uitstekend aan alle eisen maar viel uiteindelijk om financiële redenen toch ook af. Uiteindelijk is voor de blokken aan de uit- einden geoplymeerbeton toegepast. Voor het volgende gedeelte is Circuton toegepast en in het midden bakstenen van gerecyclede keramische materialen. Tabel 1?Verschillende bijdragen binnen de samenwerking Organisatie Bijdrage Contactpersoon ENS engineers Constructief ontwerp en berekeningenAte Snijder Restruct TU Delft Onderzoek en concept ontwikkeling Rob Nijsse CRE TU Delft Financiering en projectbegeleiding Sem Boersma The Green Village Onderzoekslocatie en eindgebruiker Tim Jonathan SQAPE Leveren geopolymeerbeton Jordi van Heerikhuizen A Jansen Storten geopolymeer blokken Bert Busgen C2CA en GBN Leveren Circuton materiaal Frank Rens Strukton Prefab Gieten Circuton blokken Enis Memic Zilverschoon Randwijk Productie keramische blokken André Bleumer BAM Projectmanagement Bas de Jong GKB Uitvoering Jaco van Herk 4Risk Meetsensoren Dennis de Kruif Beamix 3D-printen 'Menhirs' (foto 1) Pieter Bakker 8 CEMENT 6 2025 ?11 elastisch materiaal tussen de blokken te leggen, als een 'demontabel' voegmateriaal (fig. 8). In de contactvlakken is voor een ma- teriaal met een duidelijk hogere elasticiteits- modulus gekozen. Hierdoor wordt de nor- maalkracht in de boog doorgegeven in de rechte contactvlakken aan de boven- en onderkant van de boog en niet via de 'buik'. Berekening De boogconstructie is berekend met het ein- dige-elementenprogramma DIANA FEA. Het was noodzakelijk om een fysisch- en geome- trisch niet-lineaire analyse uit te voeren. De fysische niet-lineairiteit was vereist om de krachtswerking in de voegen tussen de blok- ken correct te kunnen modelleren. In de voegen moeten drukspanningen en in be- perkte mate ook schuifspanningen worden doorgegeven, maar geen trekspanningen. Het geometrisch niet-lineaire aspect heeft betrekking op het tweede-orde-effect dat opspeelt in een vlakke boog waarin grote drukkrachten optreden. In figuur 9 is een sterk overdreven vervorming getoond, zodat het openen van de voeg goed te zien is. Ook zijn de spanningsdiagrammen in de voegen interessant, omdat daaruit afgelezen kan worden hoe de druklijn door de boog loopt. Door het relatief hoge eigen gewicht van de constructie blijft de druklijn van de boog niet alleen bij een symmetrisch belas- ting, maar ook bij een asymmetrische belas- ting binnen de hoogte van de blokken. Zo- doende blijft er altijd inwendig evenwicht in de doorsnede. Landhoofden?Een ander kritisch bezwijk- mechanisme is het te veel wijken van de landhoofden door de spatkrachten. Ook dit is in de berekeningen gesimuleerd. Hieruit kon worden geconcludeerd dat een maxi- male horizontale verplaatsing van 10 mm per landhoofd kan worden toegestaan. Bij overschrijden van deze waarde zijn maat- regelen nodig, zoals het aanbrengen van trekstangen. Voor de experimentele brug op de TU Delft wordt daarom anderhalf jaar lang continu gemeten hoe groot de horizon- tale afstand tussen de landhoofden is, zodat tijdig kan worden ingegrepen. Met de meet- gegevens worden de gebruikte modellen zo nodig bijgesteld. Druklijn?Door de horizontale verplaatsing van de landhoofden zal de druklijn een nieuw evenwicht maken in een lagere posi- tie. In het rekenprogramma DIANA is dit geanalyseerd door het openen van de kieren tussen de blokken toe te staan. In figuur 9 is dit goed te zien. De figuur toont de drie eerste blokken en de vier eerste voegen bij de linker oplegging. Een opgelegde verplaat- sing van de oplegging naar links (negatieve x-richting) laat de (denkbeeldige) druklijn zakken en er ontstaat een zichtbare kier De boogcon- structie is berekend met DIANA FEA 9 9 Resultaat van een analyse waarin het 'kieren' van een voeg te zien is en het spanningsdiagram in de voeg 12?CEMENT?6 2025 tussen de oplegging en de eerste steen. In de voegen tussen de blokken is het spannings- diagram getekend. Hier is uiteraard alleen druk mogelijk. Het verloop van de (denk- beeldige) druklijn kan gevonden worden door in gedachten een lijn te trekken, die steeds door het zwaartepunt van de span- ningsdriehoek in de voegovergang loopt. Realisatie Voor een groot deel van de blokken is rest- beton gebruikt. Betonwagens terugkerend van een grote stort met geopolymeerbeton in de haven van Rotterdam, hadden veelal nog een restant beton in de molen zitten. Voor het storten van de blokken zijn mallen klaargezet bij de betoncentrale (fig. 10). Voor de montage van een boog, opge- bouwd uit losse blokken, zijn er twee moge- lijkheden. De eerste is het bouwen van een tijdelijke ondersteuningsconstructie (een zogenoemd formeel), waarop de boog wordt gestapeld. Als de boog 'gesloten' is kan de hulpconstructie worden verwijderd (en later hergebruikt). De tweede methode is bouwen op het land, dichtbij de beoogde locatie. Als de boog 'gesloten' is, worden tijdelijke trekstangen aangebracht. De boog met trekstangen is zodoende stabiel en kan op zijn plaats worden gehesen (fig. 11). Bij The Green Village in Delft is gekozen voor de laatste variant. Echter voor iedere bouwlo- catie zal hier een nieuwe afweging voor moeten worden gemaakt. Voor demontage en hergebruik wordt een tijdelijke steunconstructie aangebracht, waarna de modulaire blokken kunnen wor- den losgehaald. De blokken kunnen tijdelijk worden opgeslagen of naar een andere loca- tie worden gebracht voor directe toepassing (fig. 12). De brug in Delft zal in ieder geval 5 jaar blijven staan. 11 10 10 Restbeton wordt tot nieuwe blokken voor de circulaire boogbrug verwerkt 11 Assemblage en inhijsen van de boog CEMENT 6 2025 ?13 Toepassingen Het concept is in feite toepasbaar voor iedere opdrachtgever die een circulaire, modulaire boogbrug wil. Op basis van gegevens van de ondergrond op de beoogde bouwlocatie en de aansluitende wegen, kan de juiste boog- vorm en uitvoeringswijze worden bepaald. Met een speciaal voor dit traject ontwikkelde configurator kan worden berekend hoeveel en welke vormen blokken nodig zijn. Op basis van deze opbouw wordt meteen een constructieve berekening ­ conform alle geldende normen gemaakt. De uitgekozen blokken worden van het opslagterrein naar de bouwlocatie getransporteerd. Daar wordt de boogbrug op een van de twee eerder aan- gegeven bouwwijzen opgebouwd. Tussen opdracht en bouwen hoeft slechts één week te zitten. De werkelijkheid zal wel wat weer- barstiger zijn.? 12 Direct hergebruik van de blokken in een nieuwe brug 13 Bouw van de Circular Arch Bridge (foto: Robèrt Kroonen) 12 13 VIDEO Bekijk ook de video over de circulaire en modulaire boogbrug. 14?CEMENT?6 2025 14 Brug vol mensen (foto: Tim Jonathan) 15 Team van de Cirular Arch Bridge na ontvangst van de Cobouw Innovatie Award 2024 AWARD De hier gepresenteerde studie is een mooie methode om cir- culaire, modulaire en duurzame boogbruggen te bouwen. De jury van Cobouw Innovatie Award dacht er ook zo over. Op 26 november 2024 ontving het concept van de Circular Arch Bridge de Cobouw Innovatie Award (foto 15). 14 15 CEMENT 6 2025 ?15