C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr ugg enbou wcement 2005 6 51De schade is vastgesteld tijdenseen reguliere inspectie. Vervol-gens is aan de hand van naderonderzoek de oorzaak van deschade vastgesteld en de eigenaargeadviseerd over de te nemenmaatregelen. Over het ontstaanvan de schade en de oplossingentot herstel daarvan, zal in dit arti-kel dieper worden ingegaan.S i t u a t i e b e s c h r i j v i n g e ns c h a d e b e e l dDe Nelson Mandelabrug is eenbetonnen brug die is opgeleverdin 1974 en waarvan de hoofdover-spanning bestaat uit twee tweecel-lige kokerliggers (fig. 2). De brugis gebouwd vanuit twee pijlersvolgens de vrije uitbouwmethode.Aan de centrumzijde is de brugvanaf een tussenpijler verlengdmet twee massief betonnen aan-bruggen (fig. 3). De oostelijkeaanbrug loopt nagenoeg rechtdoorrichting station, de westelijkeaanbrug loopt in een bocht naarhet nabijgelegen verkeersplein. Deaanbruggen zijn vervaardigd vannormaal beton, het uitbouwge-deelte daarentegen bestaat uitlichtbeton.Een duidelijk zichtbare vervormingter plaatse van de sluitmoot van demiddenoverspanning van de ooste-lijke brug was de aanleiding vooreen grondige inspectie. In eersteinstantie ging de aandacht uit naareen loshangende betonschol vande ondervloer van de koker. Uit deinspectie bleek dat deze loshan-gende betonschol slechts het topjevan de ijsberg was: de schade bleekveel omvangrijker en ook ingrij-pender van aard. Over een grootoppervlak van de lichtbetonnenondervloer werden horizontalescheuren en delaminaties waarge-nomen. De locatie van de scheurenkwam overeen met de plaats waarde continu?teitsvoorspanning ver-ankerd is. De oorzaak van de scha-de moest dan ook bij deze veranke-ring worden gezocht; een bekendfenomeen, veroorzaakt door degeringe treksterkte van lichtbeton.De breuklijnen liepen dwars doorde lichte toeslagmaterialen heen.Na een serie bruggen met eensoortgelijk schadebeeld, wat optradin de bouwfase (periode 1970-1985), besloot Rijkswaterstaat daar-om geen lichtbeton in combinatiemet voorspanning toe te passen inbruggen.Toen eenmaal de relatie van deschade met de continu?teitsvoor-Constructieve renovatieNelson Mandelabrugir. M.A. van Heesch, Adviesbureau Wagemaker BVDe Nelson Mandelabrug over de Neder-Rijn in Arnhem is niet alleen vanwegede opvallende spiraalvormige oprit (foto 1) een bijzondere brug. Ook hetgebruik van lichtbeton in combinatie met de toegepaste uitvoeringsmetho-diek, maakt dit kunstwerk uniek in de Nederlandse infrastructuur. Minderpositief is evenwel dat de brug veel sneller dan voorzien moest worden gere-noveerd. Naast groot onderhoud bestond de renovatie uit constructievemaatregelen om de restlevensduur te verlengen. Met name de constructieveingrepen waren innovatief vanwege het feit dat er sprake was van een bijzon-der schadefenomeen, namelijk delaminatie van de ondervloer van de koker-constructie.1 |Nelson Mandelabrug metzijn kenmerkendespiraalvormige opritfoto: Your Captain, UtrechtC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wcement 2005 652spanning was gelegd, is de inspec-tie uitgebreid naar de anderegebieden waar deze voorspanningis verankerd. Geconstateerd werddat delaminatie elders niet of inveel mindere mate is opgetreden.T h e o r e t i s c h ec o n s t r u c t i e v e a n a l y s eHet principe van vrij uitbouwen isgebaseerd op het in evenwichtuitbouwen van betonmoten vanuit??n centraal steunpunt, hethamerstuk (foto 4). Te allen tijdezal de kantelstabiliteit rondom hetsteunpunt worden gewaarborgd.Bij het vorderen van de bouwworden de overstekken van deuitbouwkokers steeds groter. Hier-door nemen de trekspanningenboven in de doorsnede toe. Deuitkragingsvoorspanning compen-seert de trekspanning en beperktde vervorming.Wanneer de uitbouwconstructiewordt gesloten in het midden vande hoofdoverspanning en wordtopgelegd op het landhoofd aan dezuidzijde en verbonden met detussenpijler aan de centrumzijde,wijzigt het statisch systeem. Inplaats van twee evenwichtscon-structies rondom beide hamer-stukken ontstaat dan een door-gaande ligger op vier steunpun-ten. De extreme steunpuntmo-menten zullen reduceren in detijd en veldmomenten gaan ont-staan als gevolg van kruip. Om dekokerdoorsnede onder druk tehouden wordt in de velden, waaronder in de doorsnede trekspan-ningen ontstaan, continu?teits-voorspanning aangebracht.De continu?teitsvoorspanningwordt met spannokken onder eenschuine hoek op de ondervloeringeleid. In de ondervloer liggende spankabels nagenoeg horizon-taal. Deze verandering van rich-ting resulteert in een opwaartsekracht in de vloer (fig. 5); lokaalwil het bovenste deel van deondervloer zich ten gevolge vandeze voorspanning lostrekken vanhet onderste deel.Indien deze trekspanning nietdoor het beton kan worden opge-5003740021100 16300900 500 9100 600 9100 500 1300 7000 500 5300 21003020130 14800 30202702620 10800 2620 130500 6650 500 6650 500 500 4650 500 4650 50020840 16040280var.2000-5150auto's auto's openbaar vervoer fietsers voetgangersasfalt 50mm var. 200-14002 |Doorsnede over de twee-cellige kokerbrug3 |Overzicht constructie-principeswestelijke uitbouwbrugDelaminatieoostelijke uitbouwbrug oostelijke aanbrugcentrumzijdewestelijkeaanbrugC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr ugg enbou wcement 2005 6 53nomen, zal een horizontalescheur ontstaan. Lichtbeton heeftals eigenschap dat scheuren dieeenmaal zijn ontstaan gemakke-lijk kunnen groeien. Het boven-ste gedeelte van de ondervloerkan dan geheel loskomen van hetonderste gedeelte; dit wordt dela-minatie genoemd. Een gevolghiervan is dat de continu?teits-voorspanning niet volledig meernaar het hoofdsysteem, de koker,wordt geleid.Wanneer de voet bij de spannokgeheel is gescheurd, zal de conti-nu?teitsvoorspanning totaal weg-vallen en is de samenhang in hetmiddendeel tussen de spannok-ken verdwenen. Het gecre?erdestatische systeem in de gebruiks-fase valt dan weer terug naar hetstatische schema dat tijdens debouw gehanteerd is, namelijk deuitkragingsvoorspanning. Ditleidt tot een extra zakking van debrug. De brug zal dan niet instor-ten, maar wel onbruikbaar zijngeworden.De inspecteurs constateerdendiverse horizontale scheuren, maarde vloer was nog niet in zijn geheelgedelamineerd. Het was echter welde hoogste tijd voor maatregelen!C o n s t r u c t i e v e m a a t -r e g e l e n t e r r e n o v a t i eAllereerst moesten de ontstanescheuren worden ge?njecteerd.Tijdens de inspectie bleek dat ditin het verleden ook al eens wasgedaan. Echter door de injectie-druk en de eerder genoemdeeigenschap van lichtbeton zijn descheuren gegroeid en is hetonderste deel van de ondervloeromlaag gedrukt en verticaalgescheurd (fig. 6). Dit verklaardede voor het oog `loshangende'betonschol. Voor het injecterenmoesten dus eerst voorzieningenworden getroffen om te voorko-men dat de scheuren verder zou-den groeien.Hiervoor werd een boutconstruc-tie voorgesteld met een kopplaataan zowel boven- als onderzijde.Deze moet de trekspanningen diein het lichtbeton ontstaan tengevolge van de injectiedruk en decontinu?teitsvoorspanning opne-men. Omdat niet precies duidelijkis waar de delaminatie ooit zaloptreden, is besloten het geheleoppervlak tussen de buitenstespannokken te versterken (foto 7).Uitgangspunt voor het boutenpa-troon is dat de hele ondervloer isgedelamineerd. Het onderste deelblijft nu hangen op de zachtstaalwapening. Bij het injecteren zalbovendien de injectiedruk doordeze wapening moeten wordenopgenomen. Doordat de vloerdikteis gehalveerd, is de inwendigehefboomsarm veel kleiner gewor-den en dus ook het op te nemenmoment. Hierdoor ontstaat eenmaximaal raster voor de bouten,dat neerkomt op ongeveer 150 ?200 bouten ter plaatse van demiddenoverspanning en circa 70bouten ter plaatse van de zijover-spanningen; gemiddeld 3 m2vloeroppervlak per bout.U i t v o e r i n gUitvoeringstechnisch was dezerenovatie complex. De kabels vande continu?teitsvoorspanningliggen zeer dicht tegen elkaar. Devrije ruimte tussen de kabels is opveel locaties slechts 65 mm. Aan-gezien het gat voor de bouten meteen diameter van 20 mm moestworden geboord, was het risicoaanwezig dat de voorspanningska-bels bij het boren zouden wordengeraakt. Dit werd voorkomen doorv??r het boren op alle locaties metvisuele inspecties en metingenvanaf de tekeningen, de plaats vande voorspankabels vast te leggen.Uit milieutechnische overwegin-gen is besloten de vele boorker-nen op te vangen. Dit hield in dater geboord werd vanuit de onder-4 |Uitvoering volgens vrijeuitbouwprincipe5 |Doorsnede in langsrich-ting t.p.v. spannokrijdek kokerondervloer kokercontinuiteitsvoorspanningopwaartse kracht t.g.v.continuiteitsvoorspanningspannokmoot 3.W-ZW-11moot 3.W-ZW-10C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wcement 2005 654zijde van de brug of dat eropvangvoorzieningen moestenworden toegepast. Na het borenwerd de boutconstructie om esthe-tische reden vanaf de onderzijdeaangebracht. De onderzijde van deboutconstructie bestaat namelijkuit een vlakke plaat, waardoor eenstrakke en vlakke afwerkingmogelijk was.Voor de middenoverspanning vande oostelijke brug was deze maat-regel noodzakelijk om de samen-hang van de ondervloer en dus hetgehele statische systeem te her-stellen. Voor de westelijke brug ende zijoverspanningen werd deboutconstructie uit preventieveoverweging toegepast. Doordathier geen scheurvorming hadplaatsgevonden, hoefden alleen deboorgaten te worden ge?njecteerd.Naast het herstellen van de onder-vloer is tevens een aanvullendevoorziening getroffen in de vormvan een overdrachtconstructie.Deze constructie kan onafhanke-lijk van de staat van de ondervloerhet grootste gedeelte van de conti-nu?teitsvoorspanning rechtstreeksde kokerwanden inleiden.De overdrachtsconstructie bestaatuit een betonnen dwarsbalk metvleugelwanden in de kokers (fig.8). De locatie van de overdracht-constructie is op de zwakste plaatsvan de doorsnede gekozen. Dit isaan de voet van de spannok, daarwaar de continu?teitsvoorspanningde grootste kromming heeft. Dedwarsdrager moet zowel de hori-zontale als verticale belasting opkunnen nemen en afdragen naarde wanden van de koker.De verticale belasting bestaat uitde opwaartse en in mindere mateneerwaartse belasting ten gevolgevan het gekromde verloop van dekabels. Verder kan de voorspan-belasting van de kabels (normaal-drukkracht) worden ontbondenin een verticale en een horizon-tale belastingcomponent. Boven-dien ontstaat er ter plaatse van deankerkoppen een uitwendigmoment. Al deze gegevens zijnin een plaatmodel verwerkt envervolgens zijn de krachten enmomenten bepaald. Op basis vande resultaten van deze bereke-ondervloer uit een geheel (ongescheurd)ondervloer horizontaal gescheurdinjecteren zonder boutconstructie6 |Fasering herstel onder-vloer in eerdere fase7 |Aanbrengen bout-constructieC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr ugg enbou wcement 2005 6 55ning is de dwarsdrager van deoverdrachtconstructie gedimensi-oneerd. Om samenwerking enafdracht naar de wand van dekoker te garanderen is tevens destekwapening die de diverseschuifkrachten tussen de bestaan-de en de overdrachtconstructie opmoet kunnen nemen, gedimensi-oneerd.Naast verticale belastingen is ereen grote horizontaal ontbondenevan de voorspanning, die ervoorzorgt dat de complete kokerdoor-snede onder druk blijft. Dit is d?hoofdfunctie van de continu?teits-voorspanning. Normaliter wordtdeze voorspanning voor het groot-ste deel via de ondervloer dekokerwanden ingeleid. Dan isechter de samenwerking tussende betonvloer en de voorspanningeen voorwaarde. Aan deze voor-waarde kon gezien het schade-beeld niet meer worden voldaan.De overdrachtconstructie moetdus ook de horizontale belastingten gevolge van de voorspanningrechtstreeks kunnen opnemen endeze in de wand inleiden. Daaromis de betonnen dwarsdrager voor-zien van vleugels die door middelvan ingelijmde stekwapening deschuifkrachten overbrengen.S a m e n v a t t i n gUit inspectie bleek dat een grootgedeelte van de middenoverspan-ning van de oostelijke brug con-structief beschadigd was. Debeschadiging betrof delaminatievan de ondervloer van de koker-doorsnede. De scheurvorming wasveroorzaakt door de krommings-druk van de continu?teitsvoorspan-ning, in combinatie met de geringetreksterkte van het lichtbeton.De herstelmaatregelen zijn uitge-voerd op alle locaties waar conti-nu?teitsvoorspanning ligt. Daarwaar nog geen zichtbare scheurenzijn opgetreden (de westelijkebrug en de zijoverspanningen), isdit preventief. Deze (preventieve)maatregelen bestonden uit aange-brachte boutconstructies en stalenkopplaten.Ter plaatse van de oostelijke mid-denoverspanning, waar wel dela-minatie is geconstateerd, beston-den de corrigerende maatregelenuit:? boutconstructies met stalenkopplaten + injectie voor hetherstel van de ondervloer;? het aanbrengen van over-drachtsconstructies ter plaatsevan de spannokken.De boutconstructie met stalenkopplaten moet de initiatie en devoortschrijding van de scheurenin het lichtbeton tegengaan. Defunctie van de overdrachtscon-structie is de rechtstreekseafdracht van de continu?teitsvoor-spanning naar de wanden om zote allen tijde de voorspanning tewaarborgen en de completedoorsnede onder druk te houden.Ter plaatse van de middenover-spanning van de westelijke brugis als extra preventieve maatregeleveneens de overdrachtconstruc-tie toegepast. De constructieheeft hier niet als hoofddoel decontinu?teitsvoorspanning recht-streeks over te brengen, maarmeer een ballastfunctie om dekrommingsdrukken op te kun-nen nemen. Projectgegevensopdrachtgever:Gemeente Arnhemschadeonderzoek en constructiefadvies:Bouwdienst RWSdirectievoering en detailenginee-ring:Adviesbureau Wagemaker B.V.aannemer:Koop Tjuchem B.V.8 |Bovenaanzicht dwars-drager kokerbinnenzijde kokerboutconstructie ondervloerstekwapening in vloer en wandt.b.v. overdrachtsconstructiecontinuiteitsvoorspanningh.o.h. 360 mm