De duurzame hybride brug8200970De duurzamehybride brugSchade aan betonconstructies wordt vaak veroorzaakt door corrosie van wapening. In de civiele infrastructuurgaan de noodzakelijke en vaak dure reparaties gepaard met hinderlijke stremmingen. Er zijn verschillendemanieren om corrosie tegen te gaan, zoals het toepassen van een grotere dekking en/of dichter beton. Eenandere manier is het toepassen van glasvezelwapening. Een met glasvezelstaven gewapende constructie kanechter slecht of beperkt dwarskracht opnemen. Een mogelijke verbetering is het toepassen van kunststoftroggen die onder een betonnen druklaag worden bevestigd.Verkeersbrug uit beton en vezelversterkt kunststof haalbaar?De duurzame hybride brug 82009 71bwhthbt2t1zbf bf - 2*t1btneutrale lijn1 3D-impressie van de VVK-trogliggermet betonnen druklaag2 Doorsnede trogprofiel met beton-nen druklaag (sterkteklasse C53/65)Om de haalbaarheid van deze toepassing te bepalen, is insamenwerking met Stadswerken gemeente Utrecht aan de TUDelft een afstudeeronderzoek verricht. Allereerst is een haal-baarheidsstudie gedaan naar het ontwerp van een verkeersbrugzonder (wapenings)staal en aansluitend is er een optimalisatieuitgevoerd van een ontwerpvariant. Het doel was om te onder-zoeken welk ontwerp van een verkeersbrug uiteindelijk hetmeest geschikt is (kosten, duurzaamheid, esthetica) voor hettoepassen van vezelversterkte kunststoffen (VVK) als vervan-ging van wapeningsstaal. Om tot een geschikt ontwerp tekomen is een afweging gedaan van verschillende varianten. Uitdeze afweging kwamen de massieve betonnen plaat met glasve-zelwapening en de VVK-trogligger met betonnen druklaag(een hybride variant) als meest geschikt naar voren.De optimalisatie is vervolgens uitgewerkt voor de VVK-troglig-ger variant met betonnen druklaag, omdat dit een geheel nieuwen innovatief ontwerp betreft, waarbij de toegepaste materialenmaximaal worden benut. Dat wil zeggen dat het beton zich inde drukzone bevindt en de vezelversterkte kunststof in de trek-zone. De vezelversterkte kunststof dient tevens voor hetopnemen van de dwarskracht. De brug is getoetst op statischesterkte en stijfheid (eigen gewicht en verkeersbelasting),waarbij voor de verkeersbelasting de zwaarste verkeersklasseuit de NEN 6706 is aangehouden. Ook is gekeken naar deuitvoering- en de productiefase.VVK-trogligger met betonnen druklaagDe verkeersbrug (fig. 1 en 2) heeft een overspanning van 15 men een breedte van 10 m.Onderin de VVK-troggen (e.g. laminaten = 20,0 kN/m3)worden extra lagen met vezels gelegd om de sterktecapaciteitvan de ligger te vergroten. Voor een eenvoudige controle opbasis van schematisering van een trog met betonnen druklaag(e.g. beton = 25,0 kN/m3) tot een ligger op twee steunpuntenworden de diverse materialen isotroop verondersteld. Dat wilzeggen dat het materiaal in alle richtingen dezelfde eigenschap-pen bezit. Verder wordt de verbinding tussen de VVK troglig-ger en de betonnen druklaag volledig schuifvast verondersteld.De lijfplaten worden voornamelijk op afschuiving belast.Vandaar dat hier een vezelrichting wordt gebruikt van +/- 45?(vezels kruislings toegepast). De onderflensen worden op trekbelast en daar zullen de vezels in een richting van 0/90? wordengelegd (evenwijdig aan de trekrichting). Zo bevindt zich in deuiterste getrokken zone een zo groot mogelijke hoeveelheidvezels in de richting van de normaaltrekspanningen. In dwars-richting wordt een kwart van deze hoeveelheid toegepast, zodatin die richting wel enige krachten kunnen worden opgenomenvoor uitzonderlijke belastinggevallen.Om verschillende redenen is voor beton als druklaag gekozen:het ontwerp is economisch aantrekkelijker in vergelijking met1ir. Arjen LangedijkTU Delft, faculteit CiTG1)ing. Niels de RaadGemeente Utrecht,Stadswerken/IBU-stadsingenieursing. Frank van der VaartGemeente UtrechtStadswerken, Stedelijk Beheerdr.ir. Cor van der VeenTU Delft, faculteit CiTG1) A.J. Langedijk is op dit onderzoek afgestudeerd aan de TU Delft. De afstudeer-commissie bestond uit prof.dr.ir. J.C. Walraven, dr.ir. C. van der Veen, dr.ing.M.H. Kolstein, ing. F.J. van der Vaart en ir. L.J.M. Houben.2De duurzame hybride brug8200972dat de optredende schuifspanning kan worden opgenomendoor het toepassen van een epoxy hechtlaag op de grensvlak-ken. Daarnaast worden er VVK-deuvels toegepast om deschuifcapaciteit in de verbinding te vergroten. De deuvels doentevens dienst als scheuronderbreker in de VVK-troggen.Overige toetsingen sterkte en stijfheidDe optredende spanningen in de onderflens als gevolg vanopgelegde vervorming door temperatuursbelasting en doorkruip, zijn dermate klein dat ze kunnen worden verwaarloosd.De zakking door kruip van de laminaten kan worden opgevan-gen door een extra zeeg toe te passen. De eigenfrequentie vande brug is berekend op 3,88 Hz; dat is acceptabel.De optredende spanningen onderin de VVK-troggen zijn zoklein (minder dan 30% van de breuksterkte), dat er geen proble-men met vermoeiing van het materiaal zijn te verwachten.een compleet vezelversterkte kunststoffen brug, het beton zorgtvoor spreiding van de puntlasten en daarnaast is beton zeergeschikt om de drukkrachten op de hoofddraagconstructieover te brengen. In de betonnen druklaag is een minimalehoeveelheid glasvezel wapeningsstaven toegepast.De technische haalbaarheid van het ontwerp is getoetst met eenhandberekening en door het maken van een rekenmodel inScia Engineer (fig. 3). Het rekenmodel is hier gebruikt alscontrole op de handberekeningen en is tevens ingezet ter toet-sing van details.Krachtsoverdracht tussen de materialenEen aandachtspunt in het ontwerp is de overdracht van deschuifkracht tussen de materialen. Verder moet de grootte vande schuifspanning in het materiaal ter plaatse van de overgangtussen de betonnen druklaag en de VVK-trogligger naderworden beschouwd. Uit het rekenmodel in Scia Engineer blijktTabel 1 Gewichtsvergelijking variantenAbeton[m3]AVVK[m3]beton[kg/m3]laminaat[kg/m3]totaal gewicht[kg]VVK-trogligger met betonnen druklaag 22,5 8,31 2500 2000 72 870massieve betonnen plaat incl. voorspanning 90 0 2500 2000 225 000Tabel 2 Totale kosten van het ontwerptotaal per m2brug [] [%]VVK 1000 63,90mal 100 6,39beton 18 1,15glasvezelwapening 108 6,90manuren 339,33 21,67totaal 1565,33 100,003654De duurzame hybride brug 82009 733 Doorbuiging van de VVK-trogligger door aangebrachtebetonnen druklaag4 Blok polystyreen5 Uitgesneden blok polystyreendat kan dienen als mal6 Omgedraaid blok polystyreenmet bijbehorende zeeg7 Polystyreen wordt als mal gebruikt en VVK-trogligger wordt gelamineerd8 Mal wordt teruggekeerd en polystyreendient als bekisting9 Betonnen druklaag wordt op VVK-trogliggermet polystyreen bekisting gestort10 Exploded view van VVK-trogligger metbetonnen druklaagontwerp worden opgevangen door het toepassen van een extrazeeg. Het is raadzaam het beton ter plaatse van de opleggingendeels in de trog te storten om zo de krachtafdracht in dwars-richting tussen de materialen beter te waarborgen.Het totale gewicht van de brug is erg laag in vergelijking meteen massieve betonnen plaatvariant. Zo kan de brug met eenrelatief lichte en goedkope kraan op de plaats van bestemmingworden geplaatst en dit scheelt aanzienlijk in de kosten.Doordat de VVK-trogligger met betonnen druklaag is geprefa-briceerd en op de bouwlocatie alleen nog geplaatst en afge-werkt hoeft te worden, is er een korte bouwtijd. Dit zorgtervoor dat er minder stremmingen zijn en dat er minderweersafhankelijkheid is. Ook kan de brug grotendeels ondergeconditioneerde omstandigheden worden gebouwd, wat dekwaliteit van het product ten goede komt. In tabel 1 staat eengewichtsvergelijking tussen de VVK-trogligger met betonnendruklaag variant en de massieve betonnen plaatvariant.Nog een groot voordeel van een brug uitgevoerd in VVK is, datde brug elke gewenste kleur kan aannemen.Figuur 10 toont een exploded view van de brug, waarin alleonderdelen goed zichtbaar zijn waaruit de brug is opgebouwd.UitvoeringEen belangrijk punt in de economische haalbaarheid van hetontwerp van de VVK-trogligger met betonnen druklaag is dewijze waarop de mal wordt uitgevoerd waarin de VVK-troggenworden gelamineerd. Een mogelijkheid is de gewenste trog-vorm uit blokken polystyreen te snijden en deze blokken omge-keerd te plaatsen. De polystyreen vormt dan de mal waarop delamellen kunnen worden aangebracht om tot de gewenste lami-naten te komen. Door de polystyreen een zekere kromming tegeven kan de gewenste zeeg in de VVK-trogliggers wordenaangebracht. Voordeel van polystyreen zijn de vormvrijheid enhet lage gewicht. Indien het VVK-trogprofiel gereed is, kan demal worden teruggekeerd en kunnen de blokken polystyreendienen als verloren bekisting voor het storten van de betonnendruklaag. Het maken van de mal met de gewenste zeeg, hetlamineren van de VVK-trogligger en het storten van het betonop de polystyreen bekisting zijn weergegeven in de figuren 4t.m. 9.Wat ook een interessant onderdeel is in de uitvoering van deVVK-trogligger is de manier waarop het beton op de VVK-trogligger wordt aangebracht. Het beton kan in onverhardetoestand nog geen krachten opnemen, dus alle krachtenmoeten door de VVK-trogligger worden opgenomen. Dat bete-kent dat de trogligger (indien niet ondersteund) tijdelijk opdruk wordt belast en de belasting van het beton en het stortenervan moet kunnen opvangen totdat het beton is uitgehard ende samenwerking tussen de materialen tot stand is gekomen.De extra zakking van de ligger door het storten kan voor dit10987De duurzame hybride brug8200974ConclusiesUit dit onderzoek blijkt dat de VVK-trogligger met betonnendruklaag in potentie een duurzame oplossing is, omdat ergedurende de levensduur van de brug weinig onderhoud is teverwachten en doordat door het effici?nt omgaan met de toe tepassen materialen, de aanslag op deze materialen minimaal is.Omdat duurzaamheid van een ontwerp steeds belangrijkerwordt bij de ontwerpkeuze, vergroot dit de economische haal-baarheid van de VVK hybride-oplossing. Behalve innovatief ishet ontwerp door de trogvormen, eventueel in combinatie metmogelijke lichteffecten onder de brug, ook esthetisch aantrek-kelijk (fig. 11).Uit eerdere onderzoeken betreffende VVK-constructies bleekal dat niet de sterkte in de uiterste grenstoestand maatgevendis, maar de stijfheid in de gebruikstoestand. De gewenste buig-stijfheid om de doorbuiging te beperken bepaalt de dimensiesvan de constructie.Uit het afstudeeronderzoek kan worden geconcludeerd dat hetontwerp van de VVK-trogligger met betonnen druklaag tech-nisch en economisch haalbaar is en zal leiden tot een innova-tief, esthetisch en vooral duurzaam ontwerp van een hybrideverkeersbrug. KostenEr is een inschatting gemaakt van de stichtingskosten van debrug. De verwachting is dat de kosten nog aanzienlijk zullendalen naarmate het product meer is toegepast. De mogelijkewinst door het terugdringen van de CO2-uitstoot is in dekosteninschatting niet meegenomen. Studies van producentenvan volledig VVK-bruggen tonen aan dat er een flinke winst iste halen op dit gebied. De ontwikkeling van deze hybridebrugzou daarvan dus ook kunnen profiteren.De stichtingskosten van de VVK verkeersbrug zijn per onder-deel uitgewerkt, wat resulteert in de geschatte stichtingskostenvan de VVK-trogligger met betonnen druklaag. Tabel 2 bevateen samenvatting van de geschatte kosten, resulterend in degeschatte totale kosten van het ontwerp per m2.Het ontwerp dat in dit onderzoek is gemaakt is gebaseerd opeen brug met een oppervlakte van 10 ? 15 = 150 m2. Voor hetontwerp van de VVK-trogligger verkeersbrug met een beton-nen druklaag komt de geschatte prijs voor alleen de stichtings-kosten dan op 234 800.11 3D-impressie onderzijde VVK-trogliggers11