? bruggenbouw ? constructief ontwerp?ing.G.H.Krie/aart en ing.J.Dudar, Bouwdienst Rijkswaterstaat, hoofdafdeling Droge Infra-structuurDe bouwvan deTweede Stichtse brug isvoltooid. In diten in een volgend artikel in Cementkomen de ervaringen bij de bouw van de eerste grote brug in Nederland in hogesterktebe-ton aan de orde.DE TWEEDE STICHTSE BRUGVOLTOOID (I)CD Zijaanzicht Tweede Stichtse brug enplaats hamerstukken en sluitmotenIn Cement 1994, nr. 6 [1] is ingegaan op deverrichte variantenstudie voor de TweedeStichtse brug, de voor dit project uigevoerdepraktijkproef en de keuze van het beste al-ternatief.Op basis van de op dat moment bekende enontbrekende gegevens is voor het te nemenbeslispunt (welk alternatief wordt verder uit-gewerkt en uitgevoerd) een risicoanalysegemaakt, bestaande uitde kwalificering vaneen aantal kritische aspecten.Uit de variantenstudie volgde dat een ont-werp uitgevoerd in hogesterktebeton nietduurder behoefde te zijn dan een ontwerp ingrindbeton B 65 of in lichtbeton B 45. Ookbleek dat qua duurzaam bouwen (ondermeer materiaalbesparing) een ontwerp inHSB geen slechte keuze was. Vanwege hetinnoverende karakter en de te verwachtenstimulerende effecten is ervoor gekozen hetontwerp in HSB verder uit te werken.In [1] is nog toegelicht dat een ontwerp intraditioneel grindbeton B 45 niet mogelijkwas in verband met de randvoorwaarde datde tweede brug qua vorm en overspanningidentiek moest zijn aan de, in het begin vande jaren tachtig gebouwde, eerste brug inlichtbeton B 32,5.Ter herinnering: de hoofdoverspanning vande 320 m langebrugbedraagt 160 m, terwijlde constructiehoogte van de bijna 22 m bre-dekokervormige brug verloopt van 6,75 mnaar 2,50 m (fig. 1).Na de ontwerp-voorbereidingsfase is hetwerk Europees aanbesteed met voorselec-tie. Begin mei 1995 is de opdracht voor debouw verstrekt aan Koninklijke van Drunenvoor de aanneemsom van f 19,9 miljoen,excl. BTW.In het voorjaar van 1996 is de aannemer be-gonnen met het uitbouwproces van het ko-kerdek en op 1 september 1997 is de nieu-we brug opengesteld voor het verkeer. Deoplevering van het gehele werk heeft plaats-gehad op 28 oktober 1997.Algemene ontwerpaspectenOm kostbare betonsoorten in sterkteklas-sen 8 65 en hoger toe te kunnen passen,moet een gedegen ontwerponderzoek naaroptimaliseringsmogelijkheden worden uit-gevoerd.Hettoepassen van relatief dunne construc"tieonderdelen is bij dergelijke betonsoortenaan te raden. Niet alleen vanwege de ge-wichts- en prijsbesparingen, maar ook om-dat dan de warmteontwikkeling en de daar-mee gepaard gaande afkoelingseffecten bijverhardend beton beheersbaar blijven.Vooral als nieuwe constructieonderdelenmoeten worden gekoppeld aan oudere, isbeheersing van deze effecten van belang.Hier wordt nog nader op teruggekomen.De ontwerper/constructeur moet zich eerstgoed op de hoogte stellen wat de materiaal-karakteristieken zijn, hoe gevoelig deze zijnen watde bijeffecten zijn. Ondermeer is hier-bij te denken aan:hamerstukhamerstukI4~~~~8Y-OO)!;O?!!O-~~---'l,f-._---~" ....J1~60~O!.Y.OY_O~_~~_~_~__,,+~---)!;80~O~OO"----___.I~sluitmoot .15.920~26 CEMENT1998/11\ .\'-----~_~ _ ___,_!~"'_____~~ ~t"-'19"'00"-,11'-"_-~ -~---,2,,-,-1-,-,95",-0~_-- ~~{,-c:> I t;:I 1, 40 :=--7 ~ ~\21930~ ~1;40'fT~V~var.!. -3203100\ f7l f?1 / .00 "f BB vI~I~Ilil,~I"0.]16~~~: .__.~~F::~::\~::~=~:;=~~1:.2:0:0+~===;;~=;::;:=~:::;~;:::::~~._._.--l!AELazobe wrijfgordingen 200x200/ /. ~6.500- f--,..L-------~-~----~--_-- ~__ _L - __ - -- _I I I \8.500- :-----~-_---~----------~----- I , - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,palen niet getekend@ Dwarsdoorsnede Tweede Stichtse brug naast eerste? de in rekening te brengen krimp- en kruip-parameters;? de invloed van de afkoelingskrimp;? de autogene krimp tijdens het mootsgewij-ze uitbouwproces.Ook dient de ontwerper/constructeur zichbij het optimaliseringsproces af te vragenwat het vermoeiingsgedragis bij rijdekkendie aan sterk wisselende belastingen wor-den blootgesteld, en wat de kans van optre-den is van mogelijk instabiliteitsgedrag zo-alsplooigevaar bij dunne wanden.Doorte vergaande optimalisering kunnen erruimteproblemen ontstaan bij het bergenvan de voorspankabels en het verankerenc.q. afspannen ervan.Bij de Tweede Stichtse brug is alle uitkra-gingsvoorspanning afgespannen in het bo-vendek van de koker. Tot dan toe was het inNederland gebruikelijk om af te spannen inde wanden. Door het snel toenemen van demateriaaldruksterkte kon hiervan wordenafgeweken. Ook hierop wordt nogteruggeko-men.Binnen twee dagen na het storten van eenmoot werden de voorspanelementen op100% afgespannen (met relatief kleine an-kerelementen), bij een karakteristieke druk-sterkte van ten minste 35 N/mm2. Zelfs inde winter werden de benodigde druksterk-ten nog vlot binnen 60 uur bereikt, zodat degeplande mootuitbouw in de weekcycli nietin gevaar kwam.Krimp- en krllipparameters voor deuitbouwberekeningVoor de berekening is aangehouden dat debelastingen ten gevolge van het eigen ge-wicht en de uitkragingsvoorspanning op eenstatisch bepaald systeem worden aange-bracht, terwijl de constructie later statischonbepaald wordt gemaakt.Door deze wijziging van het statische sys-teem en het kruipgedrag van het beton,vloeit een gedeelte van de spanningen tengevolge van het eigen gewicht en de uitkra-gingsvoorspanning van de steunpuntennaar het veld (dit is het midden van dehoofdoverspanning).De wijziging van deze krachtsverdeling kanglobaal met behulp van de methodeDischinger [2] op een eenvoudige manier inrekening worden gebracht volgenswaarin:M", is het moment op tijdstip t = O();cp is de kruipfactor;Mso is het moment behorend bij het statischonbepaald systeem;Msb is het moment behorend bij het statischbepaald systeem.Volgens de VBC en CUR-Aanbeveling37 [3]is bij een relatieve vochtigheid van 80% dekruipfactor cp = 0,70. Aangezien bij het sta-tisch bepaalde systeem het moment in hetveldmidden gelijk is aan 0, geldtHierdoor wordt op t = 0() het veldmomentten gevolge van het eigen gewicht dan 50%van de waarde die hoort bij de statisch onbe-paalde constructie.De later aangebrachte rustende belasting(asfalten schampkanten) en de mobiele be-lastingen, temperatuur- en zettingsbelastin-gen en de continu"iteitsvoorspanning in hetmidden van de hoofdoverspanning, wordenop de statisch onbepaalde constructie aan-gebracht en de hierdoor veroorzaakte span-ningen ondergaan dus geen wijziging.Door middel van de gefaseerde berekeningmet het programma 'BOUW' worden alletijdsafhankelijke invloeden verwerkt. Voorhet materiaalgedrag moet in een aparte in-voerfile een aantal, van de betonsoort af-hankelijke, parameters worden gedefini-eerd, te weten:? de elasticiteitsmodulus van het beton na28 dagen;? een factor afhankelijk van hetcementtype;? de van de relatieve vochtigheid afhankelij-ke basiskrimp en basiskruip;? een tabel metverloopvan de krimpoverdetijd, afhankelijk van de fictieve dikte van deconstructiedelen;? een tabel met verloop van de niet-reversi-bele kruip over de tijd, afhankelijk van defictieve dikte van de constructiedelen.CEMENT1998/1 27? bruggenbouw ? constructief ontwerp?Met het programma 'BOUW' zijn vergelijken"de berekeningen gemaakt tussen een 'stijf'materiaalgedrag (hoge elasticiteitsmodulusen lage krimp- en kruipwaarden, B85+) eneen 'slap' materiaalgedrag (lage elastici-teitsmodulus en hoge krimp- en kruipwaar-den, B 85-).Uit deze 'BOUW'-berekeningen volgde terplaatse vanhetveldmidden in de uiterste ve-zel aan de onderzijde een afname van dedrukspanningten gevolge van krimp en kruipvan 3 N/mm2bij B 85+, respectievelijk 4N/mm2 bij B 85-.De toename van de zakking ter plaatse vanhet veldmidden vanaf het aanbrengen vanhet asfalt tot t = 00 was bij B 85+ circa 90mm en bij B 85- circa 140 mm.De verschillen tussen beide berekeningengeven aan dat de marges gering zijn.Voor het bepalen van de hoeveelheid conti-nu?teitsvoorspanning is uitgegaan van demaatgevende B 85-variant met de 'slechte'eigenschappen.Bij de door de aannemer gemaakte bereke-ningvan de overhoogten is uitgegaan van degemiddelde waarden. De hierbij uitgereken-de krimp- en kruipvervormingen van het uit-einde van de eerste kraagarm, als gevolgvan het tijdsverloop gedurende het uitbou~wen vanaf het andere tussensteunpunt, zou68 mm moeten bedragen.In depraktijkis dit uiteinde van de kraagarmechter helemaal niet gezakt. De in de bere-keningen aangehouden parameters zijnachteraf dus aan de conservatieve kant ge-bleken.Constructieve maatregelen bij autogenekrimpHet verschijnsel autogene krimp is op te vat-ten als een uitdrogingsproces waarbij het inde pori?n beschikbare water voor de hydra-tatie wordt opgebruikt. Bij het toegepasteB 85-mengsel met een lage watercement-factor van 0,32 heeft deze 'zelf-uitdroging'een volumeverminderingtotgevolg, doordathet nog te hydrateren cement het schaarsewater aan zijn omgeving gaat onttrekken.Aangezien iedere moottegen een reeds ver-harde moot wordt gestort, kunnen deze ver-vormingen niet vrij optreden.Deze volumevermindering, in combinatiemet het afkoelen van het zich in sterkte ont-wikkelende beton, veroorzaakt vervormin-gen die door de reeds verharde voorgaandemoot worden verhinderd. Hierdoor ontstaantrekspanningen in het beton die groter kun-nen zijn dan de op dat moment ontwikkelde28treksterkte. Om descheurwijdten die ten ge-volge van deze vervormingen optreden tebeperken, dientde detailleringvan de wape-ning hierop te worden afgestemd.Het betreftdus scheuren die in langsrichtingvan de moot lopen en waarop de dwarswa-pening (in het bovendek en in de onder-vloer) en de verticale wapening (in de wan-den) moeten worden gedimensioneerd.De toe te passen wapening is hierbijafhan-kelijk van:? de toelaatbare scheurwijdte;.de kenmiddellijn;? het tijdstip waarop de eerste scheur op-treedt.Bij hettoegepaste B85"mengsel was bij 1316en een toelaatbare scheurwijdte van 0,2mm inde dwarsrichting van het bovendek,een minimaal wapeningspercentage van1,14% nodig.Ten gevolge van relaxatie verdwijnen na ver-loop van tijd bijna alle, door de verhinderdevervorming ontstane spanningen uit de wa-pening, waardoor deze minimale wapeningniet op de (als gevolg van buiging, dwars-kracht en wringing) benodigde wapening be-hoeft te worden gesuperponeerd.Ook bij de controle op bezwijken is hetsuper-poneren niet nodig, omdat bovengenoemdeeffecten alleen maar scheurvorming veroor-zaken als gevolgvan verhinderde vervormin-gen.Uitkragingsvoorspanning in debovendekconstructieDoor toepassing van hogesterktebeton konde maximale dikte van de ondervloer tot0,55 m en de wanddikte tot 0,32 m beperktblijven.Doordat erbinnen drie dagen een gemiddel-de kubusdruksterkte van meer dan 43 N/mm2werd bereikt, waren kleinere veranke-ringsplaten toepasbaar (330 x 330 mm2bijkabels met een oppervlakte van 1900mm2). Hierdoor:? was er voldoende ruimte om de uitkra-gingsvoorspanning in het bovendek af tespannen (fig. 3);? loopt de uitkragingsvoorspanning nage-noeg horizontaal, hetgeen een veel een-voudigerkabelverloop en minderwrijvings-verliezen als voordeel heeft;?? behoefde de beugelwapening niet meerteworden aangepast aan de doorvoervan devoorspankabels vanuit het rijdek in dewand.Een met behulp van het EEM-programma\ \ 132.19.129/ !!I? Kabelligging uitkragingsvoorspanningin bovendekDIANA uitgevoerde lineair-elastische 3D-be-rekening van het hamerstuk toonde aan datten gevolge van de excentrische liggingvande uitkragingsvoorspanning:? de spanningen in de uiterste vezel aan deonderzijde maximaal 0,5 N/mm2bedra"gen;? de splijtspanningen in dwarsrichting vanhet bovendek maximaal 1 N/mm2bedra-gen. Deze spanningen bevinden zich danook nog aan de onderzijde van het boven-dek nabij de wand, waar ze dus gunstigworden be?nvloed door heteigen gewicht;? de verticale koptreksplijtspanningen in dewanden maximaal 4 N/mm2 bedragen. Bijde moten waar vier kabels per wand wor-den afgespannen, is over de laatste 0,75m steeds 2 x 8 13 25-100 toegepast (kop-splijtwapening+ dwarskracht+ wringing);? de horizontale koptreksplijtspanningen indwarsrichting van het bovendek maximaal2,2 N/mm2 bedragen.Beschouwingen op vermoeiingVolgens de aangehouden Voorschriften Be-ton Bruggen (VBB 1994) onder 5.1.4.4 en8.6, dient dekokerconstructie ook op debruikbaarheidsgrenstoestand-vermoeiingte worden gecontroleerd.In tegenstelling tot de langsrichting, waarincirca 80% van de spanningen door de per-manente belastingen wordt veroorzaakt, isdeze bruikbaarheidsgrenstoestand voor deflap in dwarsrichting veel kritischer.Aangezien aan de bovenzijde van de (indwarsrichtingvoorgespannen) flap sprake isvan een wisselende trek-/drukspanning,moet het beton als gescheurd worden be-schouwd.Volgens 8.6.2.1 is bij wisselende trek- endrukspanningen, indien wordt voldaan aana~d;max/f~;v ,,; 0,25, het aantal spannings-wisselingen datleidttotbezwijken oneindig.Bij de hier bedoelde doorsnede was dezeCEMENT1998/1verhouding 3,02/42,6 = 0,07 en dus veelkleiner dan de grenswaarde van 0,25.Volgens 8.6.3 moet zOwel voor de zacht-staalwapeningals voor de voorspanning despanningswisseling worden getoetst. Hier-toe dienen met behulp van een doorsnede-berekening, met aangepaste a-e-diagram-men voor het wapeningsstaal, de voorspan-ning en hetbeton, de optredende rekken ende bijbehorende spanningen te worden be-paald.De optredende spanningswisseling in hetzachtstaal bedroeg 32 N/mm2, terwijl eenmaximale spanningswisseling (Aas:n:re/Ym)van 109 N/mm2was toegestaan.De optredende spanningswisseling in hetvoorspanstaal bedroeg 45 N/mm2, terwijleen maximale spanningswisseling(Aap;n;re/Ym) van 63 N/mm2was toege-staan.De maximaal optredende schuifspanningbedroeg 0,56 N/mm2 , terwijl volgens8.6.2.2c de grenswaarde voor vermoeiing0,63 N/mm2 was toegestaan.De conclusie is derhalve dat de optredendespanningswisselingen in de diverse onder-delen niet vermoeiingsgevoelig zijn.Instabiliteit kokerwandenDoordat de uitkragingsvoorspanning steedsin het bovendek werd afgespannen is, inplaats van de gebruikelijke wanddikte van0,5 m, een wanddikte van 0,32 m toegepast.Voor de uitvoering en voor de benodigde ver-ticale wapening ten behoeve van dwars-kracht en wringing leverde dit geen proble-men op. Een aandachtspunt hierbij was ech-ter wel de stabiliteit van de circa 5,75 mho"ge wanden.Door de drukboog die in de constructie ont-staat, worden de wanden op een aanzienlij-ke normaalkrachtbelast. De veiligheid tegenuitknikken van de wand is hierbij gecontro-leerd door deze wand als een door een nor-maalkrachtbelaste, aan beide uiteinden te-gen buiging gesteunde staaf te schematise-ren.Uit deze beschouwing volgde een theoreti-sche knikkracht Fk "" 99 000 kN bij een in derekentoestand optredende kracht Nd =18000 kNoDe gunstige invloed van de aanwezigesteunberen (nodig voor het uitbouwen) opde stijfheid van de wanden ishierbij verwaar-loosd.ConclusieDoor het toepassen van hogesterktebetonis het ontwerp vooral be?nvloed op de vol-gende onderdelen c.q. items:? dunnere wanden en ondervloer;? meer wapening nodig, met name in dwars-richting. Verkennende studies geven aandat hierin wellicht nog enige optimalise-ring kan plaatshebben;? minder voorspanstaal nodig in verbandmet:- een eenvoudiger kabelverloop;- minder krimp- en kruipverliezen;? de mogelijke berging van de uitkragings-voorspanning in het bovendek;? meer resistentie van het bovendek tegenindringing van dooizouten en dergelijke;? snellere sterkteontwikkeling, waardooreerder kon worden afgespannen;? snellere bouwtijd.Ten slotteInmiddels is op de Maasvlakte nabij Rotter-dam gestart met de bouw van de Dintelha"venbrug. Deze zal bestaan uittwee naast el"kaargelegen uitbouwbruggen, waarbij de ko-kerdekken eveneens worden uitgevoerd inhogesterktebeton. De hoofdoverspannin-gen bedragen circa 190 m; voor Nederlandtot nu toe de grootste overspanning bij ditbrugtype.In een volgend nummer van Cement zal na-der worden ingegaan op:? krimp-, kruip- en temperatuureffecten tij-dens het uitbouwen;? evaluatie van de lijst met kritiekeonderde-len zoals gepubliceerd in [1];? onderzoekingen in samenwerking metTU-Delft en verder gewenst onderzoek;? monitoring Stichtse brug;? opzet HSB-onderzoek op het werk;? uitvoeringswijze, keuze uitbouwwagens,verwerken en afwerken HSB, wintermaat-regelen.Literatuur1. Kaptijn, N. en G.H.Krielaart, De TweedeStichtse brug. Een toepassing van betonmet hoge sterkte B85.Cement1994, nr. 6.2. CUR-rapport 88-4, Handleiding voor deberekeningvan kruipeffecten, samengestel-de liggers en wapeningsdetails bij betonnenbruggen.3. CUR-Aanbeveling 37, Hoge Sterkte Be-ton. CUR, Gouda, 1994.?@ Uitbouwproces vanaf steunpunt 2 foto: Meetkundige dienst Rijkswaterstaat, afd. GrafischeTechniekenCEMEN11998/1 29