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.
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
The Green Village
The Green Village is een regelluw ‘openlucht-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 innovatieopgaven op het gebied van drie thema’s: Duurzaam bouwen en renoveren, Toekomstig energiesysteem en Klimaatadaptieve stad. The Green Village helpt innovatieve partijen te versnellen van theorie naar praktijk.
De ingenieurs van de Klassieke Oudheid, de Romeinen, bouwden het liefst bogen. De honderden boogbruggen en aquaducten getuigen daarvan. De reden? Een boog draagt vrijwel alleen op drukspanningen. Steenachtige 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 economische bouwwijze. Mits goed gedimensioneerd 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 getuigen hier al 2000 jaar van (foto 2). Over duurzaam bouwen gesproken!
Reacties