O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 2001 476Ballastloos spoor wordt al gerui-me tijd toegepast. Vroeger alleenop bruggen en in tunnels, laterook in de vrije baan. De belang-rijkste voordelen ten opzichtevan traditioneel ballastspoor zijn:? laag eigen gewicht (geen bal-last);? kleine constructiehoogte;? onderhoudsarm;? geschikt voor treinen methoge snelheden.Het belangrijkste nadeel tenopzichte van ballastspoor zijn derelatief hoge aanlegkosten. Uiteen levenscyclusanalyse (LCA)blijkt echter dat de totaalkostengedurende de levensduur vaneen traject in ballastloos spoorlager kunnen zijn dan de kostenvoor een traditionele spoorbaan.W a a r o m D e c k T r a c k ?Deck Track is een ballastloosbaanconcept. In gebieden meteen weinig draagkrachtige laagtreden door het eigen gewichtvan ballast zettingen in traditio-nele spoorbanen op. Wanneerdeze zettingen en zettingsver-schillen onacceptabel worden,wordt soms een zogenoemde zet-tingsvrije plaat (= een op palengefundeerde plaat in gewapendbeton, fig. 2) toegepast. Door depaalfundering zijn de aanleg-kosten echter relatief hoog. Hetprincipe van Deck Track is dathet constructiegewicht ten hoog-ste gelijk is aan het gewicht vande verwijderde grond. Hierdoorblijven zettingen ten gevolge vanhet eigen gewicht van de con-structie achterwege.P r o e f t r a j e c tOm aan te tonen dat een derge-lijke, lange constructie zonderdilatatievoegen kan worden ge-maakt en ervaring op te doenmet de bouw ervan, is een 200 mlang proeftraject in de `Haven-spoorlijn' (de spoorlijn tussen deMaasvlakte en Kijfhoek) aange-legd: 160 m Deck Track en twee20 m lange overgangsconstruc-ties naar ballastspoor. Het proef-traject maakt deel uit van de uit-breiding van de Havenspoorlijnvan twee naar vier sporen. Deovergangsconstructies zijn aan-gelegd om lokale zettingsver-schillen ter plaatse van de over-gang Deck Track ? ballastspoorte spreiden.Het proeftraject is in juli 1999opgeleverd en sindsdien in ge-bruik. Het deformatiegedrag in detijd wordt nauwkeurig gevolgdvolgens een meetprogramma.Hierbij worden zowel vervormin-gen onder korteduurbelastingen(treinpassages) als het gedrag oplange termijn beschouwd.Eventuele scheurvorming is hier-bij een belangrijk aandachtspunt.Bij het proefproject is een inge-goten spoorstaafconstructie toe-gepast. Hierbij worden de spoor-staven niet discreet ondersteund(zoals gebruikelijk bij andere sys-temen), maar in een uitsparinggelijmd met Corkelast?. Dit typespoorstaafbevestiging is vrijwelonderhoudsvrij; een groot voor-deel op drukbereden baanvakken.Deck Track: de proef op de somir. J.G.H. Weber, Grontmij, dr.ir. A.P. Allaart, Holland Railconsult, dr.ir. C. van der Veen, TU Delft, fac. CiTGHet overgrote deel van de spoorbanen in de wereld is uitgevoerd in traditio-neel ballastspoor: rails bevestigd op houten of betonnen dwarsdragers in eenballastbed. Tegenwoordig wordt als alternatief op redelijk grote schaal ballast-loos spoor toegepast. Een nieuw baanconcept is Deck Track; een op staalgefundeerde kokerconstructie in gewapend beton, waarop aan de bovenzijdede spoorstaven worden bevestigd (fig. 1). Doelstelling bij het ontwerp vanDeck Track is de ontwikkeling van een baanconcept waarbij zettingen wordengeminimaliseerd en dat in een industrieel bouwproces kan worden gereali-seerd. In een afstudeerwerk aan de TU Delft is onderzoek gedaan naar hetgedrag van de constructie en is deze gedetailleerd.BS BS BS1 | Artist impressionDeck Track2 | Baanconcepten (v.l.n.r.traditioneel spoor inballast, zettingsvrijeplaat in combinatie metspoor in ballast,Deck Track)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 2001 4 77O n t w e r p e n b e r e k e n i n gOntwerpBij het ontwerp van Deck Trackgelden de volgende uitgangspun-ten:? `grondbalans' (geen zettingendoor eigen gewicht constructie);? industrieel bouwproces;? onderhoudsarm;? geluidsarm.Op basis van de bovenstaandeuitgangspunten is de in figuur 3weergegeven constructie ont-worpen. Door toepassing van eenindustrieel bouwproces kan te-gen acceptabele kosten en meteen goede voortgangssnelheid(belangrijk bij spoorbanen) eenspoorbaan worden gerealiseerd.Een belangrijk kenmerk van deconstructie is dat geen dilatatie-voegen worden aangebracht.Hierdoor wordt een stijve con-structie verkregen (belastingendoor treinen worden over grotelengte gespreid) en worden kos-ten bespaard (dilatatievoegenzijn relatief duur en vergenonderhoud). Constructies zonderdilatatievoegen zijn echter gevoe-lig voor scheurvorming; eenfenomeen waaraan bij het ont-werp veel aandacht is besteed.Berekening? Bepaling krachtsverdelingVoor de bepaling van de globalekrachtsverdeling in Deck Trackdoor treinbelastingen is de con-structie geschematiseerd tot eenelastisch-ondersteunde buiglig-ger, waarbij afschuifvervormingis verwaarloosd (fig. 4).? Niet-lineariteitTeneinde het effect van het niet-lineaire gedrag van de onder-grond te bepalen is het model vande elastisch-ondersteunde buig-ligger zowel berekend met geli-neariseerde grondveren (handbe-rekening en berekening met hetprogramma Frame), als met bi-lineair geschematiseerde grond-veren (met het programma Ansys).Ter illustratie zijn in figuur 5delen van de met de drie verschil-lende rekenmodellen bepaalde mo-mentenlijnen bij belasting dooreen bepaald treintype weergege-ven (in de uiterste grenstoestand).In de bruikbaarheidsgrenstoe-stand blijven de grondspannin-gen nog in het lineair-elastischveronderstelde gebied van deveerkarakteristiek en komen dedrie bepaalde momentenlijnenpraktisch overeen (niet in de fi-guur weergegeven). Uit figuur 5blijkt echter duidelijk het effectvan het al dan niet lineariserenvan de grondveren; een bewijsdat voorzichtigheid betracht moetworden bij het lineariseren vanniet-lineaire parameters.Normaal gesproken zal, indienin een ontwerpproces niet-lineai-re eigenschappen worden geline-ariseerd, een dusdanige waardeworden toegekend, dat een con-servatieve berekening wordt ver-kregen. In de uitgevoerde studieis besloten om de gelineariseerde`veerstijfheid' van de grond gelijkte stellen aan de stijfheid van heteerste deel van het bi-lineairegedrag. Op deze manier kondende uitkomsten van de berekenin-5572001200880850123015015020020032001200200 200343 3432600405 406 659 538B.S.6635285572001200?12-100?12-100?12-100?10-752?12bgls ?12-150 ?10-100 ?12-100?10-75hrsp?10-75?10-75hrsp ?10-753 | Dimensies dwarsdoor-snede proefproject DeckTrack4 | Schematiseringelastisch-ondersteundebuigligger5 | Vergelijking momenten-lijn handberekening/Ansys/Frame (U.G.T.)6 | Wapening Deck TrackEl qkbeddingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 2001 478gen in de bruikbaarheidsgrens-toestand (grond reageert noglineair) worden gevalideerd.Mede op basis van de boven-staande berekening is de wape-ningsconfiguratie van figuur 6vastgesteld.? ScheurvormingEen voegloze constructie, zoalsDeck Track, is gevoelig voorscheurvorming. Een belangrijk as-pect bij de proef met Deck Trackis dan ook die scheurvorming,waarbij zowel de bouwfase als degebruiksfase worden beschouwd.Scheurvorming kan worden ver-oorzaakt door belastingen op deconstructie of door verhinderdevervormingen. Deze verhinderdevervormingen kunnen optredenin de verhardingsfase (tempera-tuureffecten door hydratatie-warmte, krimp) en in de gebruiks-fase (temperatuurspanningendoor dag-/nachtcyclus, verhin-derde krimp). Hierbij speelt dewrijving tussen de constructie ende aangrenzende grond een rol.In de verhardingsfase kan scheur-vorming optreden als door ver-hinderde vervorming van hetverhardende beton ergens in eendoorsnede de optredende trek-spanningen de lokale treksterkteoverschrijden. Omdat zowelsterkte als spanning normaal ver-deeld zijn, kan scheurvormingniet exact worden berekend; erkan hoogstens een kans opscheurvorming worden bepaald.In figuur 7 is het verloop van deoptredende spanningen en deontwikkelde treksterkte in deeerste fase van de verhardingweergegeven.In figuur 7 is zichtbaar dat tij-dens de verharding eerst druk-spanningen optreden. Dit wordtveroorzaakt doordat de tussen-tijdse reactieproducten van hetverhardingsproces een grotervolume innemen dan de reage-rende bestanddelen. In de daar-opvolgende reacties neemt hetvolume weer af. Indien dezevolumeverkleining wordt verhin-derd (bijvoorbeeld doordat eenconstructiedeel tegen een reedsverhard deel wordt gestort), leidtdit tot trekspanningen, en moge-lijk scheurvorming. Hierbij is debij de exotherme reactie vancement vrijkomende warmte eenbelangrijke invloedsfactor. Dezehydratatiewarmte leidt tot tempe-ratuurspanningen, en mogelijkook tot scheurvorming.Om vroegtijdig optredendescheurvorming te voorspellen enmogelijke oplossingen daarvoorte ontwerpen, zijn berekeningengemaakt met het programmaTempspan van de TechnischeUniversiteit Delft. Met Tempspankunnen de spanningsverdelingen sterkteontwikkeling in eenconstructiedeel worden bepaaldop basis van het adiabatisch ver-hardingsverloop van het beton(temperatuurverloop van verhar-dend beton bij volledige uitscha-keling van omgevingsfactoren),de in de tijd veranderende omge-vingstemperatuurverdeling ende isolerende werking van be-kisting en isolatiemaatregelen.De benodigde adiabaat van de toe-gepaste betonmortel is bepaaldmet het programma Hymostruc.Hymostruc is een programma datop basis van gegevens van hetbetonmengsel (meetgegevens en/of karakteristieke waarden) deadiabatische verharding van datmengsel bepaalt. Hierbij zijn fac-toren belangrijk als de cement-soort (CEM I/CEM III), de water-cementfactor en de storttempera-tuur.R e s u l t a t e nUit ontwerpberekeningen metTempspan bleek dat in de eerstedagen na het storten van debovenflens scheurvorming zouoptreden, indien geen bescher-mende isolatie zou worden aan-gebracht. Het effect van isolatieis bestudeerd door vergelijkingvan drie alternatieven:? geen isolatie aanbrengen;? een extreem goede isolatieaanbrengen (berekening istevens gebruikt voor verificatievan het model);? isolatie met een glaswoldekenmet een dikte van 70 mm.Door na de stort een 70 mmdikke isolatiedeken op de boven-flens aan te brengen, is ervoorgezorgd dat de nachtelijke tem-peratuurdaling voldoende werd`afgezwakt', zodat scheurvor-ming achterwege bleef.De berekende temperatuurverlo-pen in een bepaald punt van deconstructie in de drie genoemde`isolatievarianten' zijn weergege-ven in figuur 8.Om de hydratatiewarmte te be-perken en de maximale tempera-tuur in het beton te minimalise-ren is een Low-Heat-cement toe-gepast en is de hoeveelheidcement beperkt tot 310 kg/m3.Een gevolg hiervan is een tragereactie (en verharding). Doordatdoor de isolatie de hydratatie-warmte minder snel aan deomgeving werd afgedragen, is deverharding enigszins versneld.7 | Kans op scheurvormingtijdens verharding beton8 | Berekend temperatuur-verloop in de eersteweek na de stortspanning = (t)tijdgeen isolatieextreme isolatie7 cm glaswolKans op scheuren P {Fcr} = P {ct> fct}trekdruktemp.(?C)normale verdelingtime (h)treksterkte = fctm(t)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 2001 4 79Ook is een afdekfolie aange-bracht. Hierdoor is de plastischekrimp (gevolg van de verdam-ping van water) verminderd.Met Tempspan is bepaald dat deisolatiedeken gedurende zevendagen diende te worden toege-past om een voldoende veiligheidtegen scheurvorming te verkrijgen.Door bij het opstellen van debouwfasering (mootlengte, perstort gestorte constructiedelen,stortvolgorde) rekening te houdenmet alle oorzaken van scheurvor-ming, is scheurvorming in deconstructie vermeden.U i t v o e r i n g p r o e f t r a j e c tBij het proeftraject is een tradi-tionele bouwmethode toegepast.De constructie is in moten van20 m lengte uitgevoerd. Hierbijis in samenwerking met aanne-mersbedrijf Van Hattum enBlankevoort de volgende faseringvastgesteld:1. Ontgraven sleuf2. Storten werkvloer3. Bekisten en storten onder-flens4. Bekisten en storten lijven5. Bekisten en storten boven-flens6. Bekisten en storten opstor-ten voor ingegoten spoor-staafconstructie (fig. 6)7. Aanvullen grond naastconstructie8. Aanbrengen spoorstaven.De fasen 1 t.m. 6 worden per mootuitgevoerd, waarbij reeds met devolgende moot wordt begonnen,voordat de voorgaande moot isvoltooid. Op deze manier wordteen aanvaardbare voortgangs-snelheid bereikt, terwijl geenconsessies worden gedaan aande uitvoeringseisen. In figuur 9worden de fasen 4 en 5 van debouw van het proefproject weer-gegeven.M e t i n g e n a a n D e c k T r a c kTeneinde het gedrag van hetDeck Track proefvak te onderzoe-ken zijn in de periode juli 1999tot februari 2000 metingen ver-richt. In figuur 10 wordt deplaats van de meetpunten(indrukkingsmeters en water-spanningsmeters) gegeven.De eigenlijke Deck Track con-structie omvat de moten 2 t.m. 9van elk 20 m lang (de moten 1 en10 zijn de overgangsconstruc-ties). Door Fugro zijn langeter-mijnmetingen verricht (geduren-de het aangegeven half jaar) enkortetermijnmetingen (indruk-king en wateroverspanning) bijtreinpassages.De gemeten korteduurindruk-king bij een treinpassage komtgoed overeen met het voorafopgestelde rekenmodel en blijktbuiten het invloedsgebied van deovergangsconstructies 2,1 mm tebedragen (fig. 11).De wateroverspanningsmetin-gen registreren een duidelijketoename van de waterspanningin de zandlagen bij treinpassagesen de invloed van perioden metextreme neerslag. De waterover-spanning ten gevolge van trein-passages is na circa anderhalveminuut na de passage verdwenen.De (continue) langetermijnme-tingen vertonen het gebruikelij-ke logaritmische verband bij con-solidatieprocessen (twee lineairetakken, fig. 12).Extrapolatie leidt tot een zettingvan 21 mm na 1 miljoen passages(ongeveer dertig jaar), wat twee-maal zoveel is als uit het reken-kleizandkleiveenrest (tot +/- NAP-20m)pleistoceenzandmoot 3 moot 6 moot 7= waterspanningmeterNAP+2.5NAP+1.5NAP-1.5NAP-3.020mmaaiveld (+/- NAP+4.5)60m= indrukkingsmeterNAP+2.2NAP+0.2NAP-2.8NAP-20.09 | Fasering uitvoeringproefproject (fasen 4en 5)10 | Posities meetpunten inproefproject DeckTrackO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 2001 480model volgt. Onregelmatigheidvan de bodem, het mogelijkegeroerd-zijn van de grond terplaatse van een kruisende water-leiding alsmede spreiding in debodemparameters zijn hiervande oorzaak. De zettingsverschil-len zijn minimaal.C o n c l u s i eDe proef met Deck Track is ge-slaagd. De constructie is scheur-vrij, waarmee aan een van debelangrijkste ontwerpeisen isvoldaan. Een ontwikkeling dieparallel liep aan de proef in deBotlek was de optimalisatie vande doorsnede zonder de ont-werpeisen los te laten (fig. 13).Deze vorm is eenvoudiger tebouwen en heeft een bredere ba-sis, wat de stabiliteit nog vergroot.In het proefproject heeft DeckTrack zich bewezen als eenscheurvrije constructie die voldoetaan de gestelde eisen. Na nogenige doorontwikkeling is DeckTrack klaar om op de vrije baante worden toegepast. Deck Trackis hiermee een kansrijk baancon-cept dat andere baanconceptenop belangrijke punten kan ver-slaan. L i t e r a t u u r1. Weber, J.G.H., Deck Track:continu-ondersteund kunst-werk als ballastloze spoor-baan. TU Delft.2. Weber, J.G.H., Deck Track:continu-ondersteund kunst-werk als ballastloze spoor-baan (voorstudie). TU Delft.3. Breugel, K. van, C. van derVeen, J.C. Walraven en C.R.Braam, Betonconstructiesonder Temperatuur- enKrimpvervormingen, Theorieen Praktijk.'s Hertogenbosch, 1996.4. Esveld, C., Innovations inRailway track. TU Delft.5. Holland Railconsult,Catalogus Baanconceptenvoor Spoorlijnen ? versie 2.0.Utrecht, 1996.6. Baas, A.S., Monitoring DeckTrack - Interpretatie vanmetingen en vergelijking metpredicties, Utrecht 2000.7. Bos, J.A., H.G. Stuit, New phi-losophy of track building, Railinternational/Schienen derWelt, januari 2000.8. CUR ? rapport 88, Scheur-vorming in jong beton.Zoetermeer.11 | Gemeten korteduur-indrukking bij trein-passage12 | Resultaten lange-termijnmetingen13 | Geoptimaliseerde vormDeck Track