O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l enHet is vanouds gebruikelijk ombeweegbare civiele constructieszoals ophaalbruggen, schuiven ensluisdeuren van staal te maken enperiodiek met een organisch verf-systeem tegen corrosie te bescher-men. Ook vaste constructies zoalsbruggen en damwanden wordenvaak van staal gemaakt en opdezelfde wijze beschermd.Gebleken is dat de integrale kos-ten van deze constructies gedomi-neerd worden door de steeds te-rugkerende kosten voor beheer enonderhoud, te vermeerderen metde economische verliezen doorhet tijdelijk afsluiten van de infra-structuur. Deze terugkerende kos-ten gaan omlaag bij een groteronderhoudsinterval, waardoor ookminder vaak milieubeschermendemaatregelen behoeven te wordenuitgevoerd.De laatste jaren zijn de eigen-schappen van beton als construc-tiemateriaal zodanig ontwikkelddat vaste en beweegbare construc-ties die traditioneel van staal wer-den gemaakt, nu ook in zeer-hogesterktebeton B 110 tot B 200mogelijk blijken. De chemischeresistentie van dit materiaal isgroot, waardoor het zeer geschiktis voor het verlagen van de inte-grale kosten van constructies diezich in en bij water bevinden.Bovendien kunnen de bouwkos-ten bij het gebruik van betonB 110 tot B 200 lager zijn dan bijhet gebruik van geverfd staal en isde milieubelasting lager [1].Een en ander blijkt uit de resulta-ten van het project Betonnen hef-schuiven Oosterscheldekering datin opdracht van Rijkswaterstaatwerd uitgevoerd [2], uit afstudeer-onderzoeken naar een betonnenophaalbrug [3, 4, 8, 10] en naareen betonnen schuif van deStormvloedkering Oosterschelde[6, 8]. Inmiddels is er in het kadervan het onderzoek MaritiemBeton dat in 2000 werd opgestart,materiaalkundig onderzoek uitge-voerd aan beton B 200 [5, 7] enzijn toepassingen in zeer-hoge-sterktebeton onderzocht en gere-aliseerd zoals rijdekken voorbeweegbare bruggen ter vervan-ging van houten rijdekken en eenrijdek voor het verlagen van despanningen in de ondergelegenorthotrope rijvloer [1]. Betonnendamwand wordt veelvuldiggebruikt [1]. Ook lijken betonnensluisdeuren technisch en com-mercieel haalbaar [9].Uit het voorgaande volgt dat deintegrale kosten van beweegbareciviele constructies die zich in eenmaritiem en agressief milieubevinden, kunnen worden ver-laagd indien deze van zeer-hoge-sterktebeton worden gemaakt.Hierbij wordt ook gedacht aanophaalbruggen.Voorwaarde voor daadwerkelijketoepassing is dat belangrijke con-structiedetails nader zijn onder-zocht, zoals de verbindingen tus-sen betonnen constructiedelen encement 2005 172Detailontwerp van een ophaalbrugin zeer-hogesterktebetonir. L.A.M. Zeestraten en dr.ir. C. van der Veen, TU Delft, faculteit CiTGing. D. Ros, Bouwdienst RijkswaterstaatDe Bouwdienst Rijkswaterstaat streeft naar het verlagen van de integrale kos-ten van haar producten: ontwerp-, bouw-, onderhouds-, bedrijfs- en kring-loopkosten. In dat kader worden studies uitgevoerd naar de technische eneconomische haalbaarheid van constructies met alternatieve materialen,deklagen, ontwerp- en bouwmethoden. Dit artikel omvat een afstudeeron-derzoek*) naar het detailontwerp van de val van een ophaalbrug in staalve-zelbeton B 200 (fig. 1).2 |Spanning-rekdiagram-men beton B 65, staalve-zelbeton B 200 en staalS2351 |Onderdelen van eenophaalbrugA. valB. hameistijlC. balanspriemD. hangstangE. draaipunten*) De afstudeercommissie bestond naast de auteurs uit prof.dr.ir. J.C. Walraven, dr.ing. A.Romeijn, ing. J.P. Pover en ir. L.J.M. Houben.ABCDEEEE3,5 1,75 25 200druktrek235235beton B 65beton B 200staalS235(N/mm )2O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l ende krachtsoverdracht naar stalendelen zoals draaipunten, opleggin-gen en ophangpunten.Z e e r - h o g e s t e r k t e b e t o n( B 2 0 0 )Er zijn vier basisprincipes voorhet maken van zeer-hogesterkte-beton:? homogener maken van hetmengsel door het vervangenvan de grove door fijnere toe-slagmaterialen;? toepassen van een discontinuezeefkromme om de pakkings-dichtheid te vergroten;? verbeteren van de microstruc-tuur van het beton door de ver-harding van het beton onderbepaalde omstandigheden telaten plaatshebben, bijvoorbeeldbij hogere temperatuur of onderdruk;? taaier maken van het betondoor de toevoeging van staalve-zels.Om de sterkte en stijfheid vanzeer-hogesterktebeton met anderematerialen te vergelijken, zijn infiguur 2 spanning-rekdiagram-men gegeven van constructiestaal(S235), normaal prefab beton(B 65) en zeer-hogesterktebeton(B 200) met staalvezels. De druk-sterkte van zeer-hogesterktebetonbenadert die van het constructie-staal. De elasticiteitsmodulus(55 000 N/mm2) is groter dan dievan B 65 (38 000 N/mm2), maarnog niet zo groot als die van staal(200 000 N/mm2). De treksterktevan zeer-hogesterktebeton stijgtniet zo spectaculair als de druk-sterkte. Door de toevoeging vanstaalvezels ontstaat wel een taaiermateriaal (lange trektak).Zeer-hogesterktebeton beschiktover goede duurzaamheidseigen-schappen. Door de toevoeging vansilica fume (korrels die nog eenorde kleiner zijn dan cementkor-rels) ontstaat beton met een lageporositeit en permeabiliteit. Doordeze dichte structuur kunnen ernauwelijk schadelijke stoffen zoalsdooizouten, binnendringen.O n t w e r pAls uitgangspunt is het gekozenontwerp uit [10] gebruikt, waarbijde val van de ophaalbrug uit ne-gentien T-liggers bestaat (fig. 3).Deze liggers worden verbondendoor dwarsvoorspanning in dedwarsdragers, die ook voor vol-doende dwarsstijfheid zorgen.Aan de hand van dit ontwerp iseen aantal varianten ontwikkeld,waarvan de globale dimensies zijnbepaald met behulp van vuistre-gels. De belasting bestaat uit deglobale verkeersbelasting en belas-ting door wiellasten.Voor het ontwikkelen van varian-ten is als uitgangspunt de mogelij-ke gewichtsbesparing ten opzichtevan het voorontwerp genomen.Voor de dwarsdoorsnede is eenvariant ontwikkeld met een kleine-re doorsnede van de T-ligger. Uitberekeningen moet volgen of dezeslankere variant nog voldoet. Voorde lengtedoorsnede is een variantontwikkeld zonder velddwarsdra-gers (fig. 4), waardoor de dwars-stijfheid afneemt. Bovendien moeteen nieuwe locatie wordengezocht voor het aanbrengen vande dwarsvoorspanning.Met het programma ALP 2000 iseen berekening gemaakt van ??nligger. Bepaald is hoeveel voor-spanning in langsrichting nodig isom de belastingen op te kunnennemen. Aan de bovenkant van deT-ligger (brugdek) worden geentrekspanningen toegelaten, aan deonderkant (lijven T-liggers) wordtde maximale buigtrekspanningtoegelaten. Per ligger zijn veertienvoorspanstrengen nodig.De negentien geprefabriceerde lig-gers moeten aan elkaar wordenverbonden om de val van de brugte vormen. Aangezien er geenvelddwarsdragers meer wordentoegepast, moet het voorspansys-teem in de flenzen van de T-lig-gers passen. Dit is mogelijk metde F-serie van Freyssinet, een platvoorspansysteem met omhullings-buizen van 80 x 20 mm2voor vierstrengen ? 5,2 mm. Ook moetworden gecontroleerd of de val debelastingen in dwarsrichting kanopnemen. Omdat de einddwars-dragers een kleinere meewerken-de breedte hebben dan de lengtevan de val, kan voor de dwarsstijf-heid alleen de stijfheid van deflenzen in rekening wordengebracht.Voor slanke staalconstructies isvermoeiing vaak maatgevend.Wanneer in zeer-hogesterktebetonwordt ontworpen, ontstaan er ookcement 2005 1 734 |Nieuw ontwerp zonderdwarsdragers3 |Langs- en dwarsdoorsne-de van gekozen alterna-tief uit [10]15150850300 2304125 389516800801250O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l enslanke betonconstructies die opvermoeiing gecontroleerd moetenworden. Met name het dunne dek(80 mm) onder invloed van dewisselende verkeersbelasting isvermoeiingsgevoelig. Omdat ernog niet zoveel bekend is over hetvermoeiingsgedrag van staalvezel-versterkt zeer-hogesterktebeton, iser vrij conservatief gerekend (NEN6723 met enige aanpassing). Indit ontwerp is vermoeiing maatge-vend voor de dikte van de flenzenvan de T-liggers.Doordat de liggers door de dwars-voorspanning zullen samenwer-ken, is een liggermodel niet vol-doende om de val te modelleren.Er is daarom ook een schaalmodelgemaakt met behulp van het ein-dige-elementenpakket Ansys. Metdit model zijn de maximale span-ningen in twee verschillendebelastingstoestanden gecontro-leerd en vergeleken met het lig-germodel. De eerste belastingstoe-stand treedt op bij gesloten brug.Deze wordt dan belast door eigengewicht, voorspanning en ver-keersbelasting en is opgelegd overde gehele einddwarsdragers.Wanneer de brug is geopend,treedt de tweede belastingstoe-stand op. De val, opgelegd op devier draaipunten, wordt dan opbuiging belast door de voorspan-ning en de windbelasting.Het schaalmodel gedraagt zichstijver dan het liggermodel. Dit isook te verwachten omdat in hetschaalmodel de einddwarsdragersen de dwarsvoorspanning zijnmeegenomen.Omdat de val vooral in dwarsrich-ting redelijk slap is, moet wordengecontroleerd of de constructiedoor de belasting in eigen fre-quentie kan komen. De verschil-lende eigen frequenties zijnbepaald met een dynamische ana-lyse van het schaalmodel inAnsys. De laagste eigenfrequentieis 8,7 Hz. Wanneer de laagsteeigenfrequentie groter is dan5 Hz, is aan de comforteisen voorvoetgangers voldaan.D e t a i l sVervolgens is een ontwerpgemaakt voor de plaatsing van dedraaipunten in de val. Als uit-gangspunt gold hier wederomonderhoudsvriendelijkheid. Destalen onderdelen zijn zoveelmogelijk in het beton geplaatst. Inde val bevinden zich twee typendraaipunten: het hoofddraaipuntbij de hameistijlen en het hang-stang-valdraaipunt. De belastingvan de draaipunten is afhankelijkvan de openingsstand van debrug. Om plaats te bieden aan dedraaipunten worden de eind-dwarsdragers verlengd en naar heteinde toe verdikt. Om de opleg-krachten in te leiden is er rond dedraaipunten wapening nodig(fig. 5).De verbinding tussen twee T-lig-gers wordt uitgevoerd als lijmver-binding. Deze verbinding en dedwarsvoorspanning moeten dedwarskrachtbelasting in de voegkunnen opnemen. De lijmverbin-ding zou wel eens het zwakstepunt van het ontwerp kunnenzijn. Om een goede lijmverbin-ding te verkrijgen is het van be-lang de maatafwijkingen in dezijkanten van de flenzen van deT-liggers te beperken. Volgens deberekening zal de verbinding vol-doen. De uitvoering van deze ver-binding is dus een aandachts-punt.K o s t e nOm de betonnen val te vergelijkenmet andere materialen wordt eenintegrale kostenvergelijkinggemaakt. Dit betekent dat nietalleen de initi?le bouwkosten wor-den beschouwd, maar ook de kos-ten voor beheer en onderhoudover de totale levensduur. De kos-ten die in de toekomst gemaaktgaan worden, worden contant ge-maakt naar het huidige prijspeil(2004). Deze contante waardewordt berekend uit:ICW = ____________(1 + r/100)Nwaarin:I is de grootte van de investe-ring;r is het disconto (vastgesteld op4%);N is het voorziene tijdstip vaninvestering.De bouwkosten van het ontwerpin zeer-hogesterktebeton bestaancement 2005 1746 |Integrale kosten van deval van een ophaalbrug,prijspeil 20045 |Doorsneden van hetdraaipunt hangstang-val3.500.0003.000.0002.500.0002.000.0001.500.0001.000.000500.00002004 2014 2024 2034 2044 2054 2064 2074 2084 2094 2104jaarkosten()beton staal geverfd staal gealuminiseerd kunststofO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l enuit de fabricage van de negentiengeprefabriceerde liggers en demontage tot ??n brugdek. Debetonnen val is vergeleken metdrie andere varianten: een kunst-stof val, een stalen, geverfde val eneen stalen, gealuminiseerde val.Zoals uit figuur 6 blijkt liggen debouwkosten van de betonnenvariant onder die van de stalenvarianten en de kunststof variant.Omdat er bij de betonnen variantgeen noemenswaardige onder-houdskosten zijn, wordt het in deloop van de tijd naar verhoudingsteeds goedkoper om de betonnenvariant toe te passen.C o n c l u s i e s e na a n b e v e l i n g e nUit het voorgaande blijkt dat hettechnisch en economisch haalbaaris om de val van een ophaalbruguit te voeren in zeer-hogesterkte-beton. Het gewicht van de beton-nen val benadert meer en meerdat van een stalen val. Bij hetvoorontwerp was de betonnenval nog 59% zwaarder dan de sta-len variant. Nu is dat nog 22%(tabel 1).Omdat het beton door de hogesterkte zeer slijtvast is, wordt hetmogelijk dit als wegdek zonderslijtlaag toe te passen. Dit zorgtook voor een vermindering van debouw- en onderhoudskosten,omdat een asfaltlaag tijdens delevensduur enkele malen moetworden vervangen.Wanneer het lukt om de treksterk-te van het beton beter te voorspel-len, wordt het mogelijk met eenhogere rekenwaarde voor de be-tontreksterkte te rekenen. Nu ismet een waarde gerekend in degrootte-orde van B 65. Wanneerminder conservatief wordt ont-worpen, kan mogelijk het gewichtvan een stalen val worden bena-derd. Het wordt dan ook mogelijkde val van een bestaande brug tevervangen, zonder dat het bewe-gingswerk of de balanspriem be-hoeven te worden vervangen.Omdat de prijs van de betonnenval in vergelijking met de anderevarianten zo laag is, zijn er weinigargumenten tegen het daadwerke-lijk toepassen van een betonnenophaalbrug.Om het onderhoud nog meer tebeperken zouden ook de hamei-stijl en balanspriem in zeer-hoge-sterktebeton kunnen worden uit-gevoerd. De hameistijl wordt voor-al op druk belast en het lijkt daar-om geen probleem deze in betonuit te voeren. Voor de balanspriemzou een ontwerp gemaakt moetenworden. Verder zou er nog meeronderzoek kunnen worden ver-richt naar de vermoeiing van zeer-hogesterktebeton. Vooral overdruk-drukvermoeiing en multi-axiale vermoeiing is nog niet veelbekend. L i t e r a t u u r1. Ros, D., Besparingskennisdoor innovaties. Verlaging vanintegrale kosten en milieube-lasting bij nieuwe en bestaan-de civiele en werktuigbouw-kundige kunstwerken.Syllabus symposium NIO-A-N-200425, versie 23 september2003.2. Rapport ProjectgroepBetonnen hefschuivenStormvloedkeringOosterschelde. BouwdienstRijkswaterstaat, augustus2004.3. Zeestraten, L.A.M.,Detailontwerp ophaalbrug inzeer-hogesterktebeton (B 200)voor verkeersklasse 60.Afstudeerverslag TU Delft,juni 2004.4. Zeestraten, L.A.M.,Detailontwerp ophaalbrug inzeer-hogesterktebeton voorverkeersklasse 60.Literatuurstudie afstudeeron-derzoek TU Delft, november2003.5. Braam, C.R., Bosman, A., BSI-tijdsafhankelijk gedrag vanbelaste en onbelaste prisma's;??n jaar autogene krimp, uit-drogingskrimp en kruip.Stevinrapport 25.5-01-23, sep-tember 2002.6. Cheung, C.K., DetailleringB200-hefschuivenStormvloedkeringOosterschelde.Afstudeerverslag TU Delft, 28februari 2002.7. Braam, C.R., Bosman, A., BSI-balkjes statisch en dynamischbelast. Stevinrapport 25.5-01-10, april 2001.8. Tol, H., B200-betonnen schui-ven voor de StormvloedkeringOosterschelde.Afstudeerverslag TU Delft,oktober 2000.9. Kaptijn, N., Toekomstige ont-wikkelingen zeer hogesterktebeton. PAO-cursus:`Ervaringen met hogere sterk-te beton', september 2000.10. Vergoossen, R.P.H., Ontwerpvan een ophaalbrug in (zeer-)hogesterktebeton voor ver-keersklasse 600; deelrapport 2.Afstudeerverslag TU Delft,december 1999.cement 2005 1 75Tabel 1 | Vergelijking verschillende varianten op het criterium gewichtvoorontwerp detailontwerp staalgewicht val (kN) 1720 1320 1080percentage t.o.v. staal (%) 159 122 100gewicht/m2brugdek (kN/m2) 6,76 5,19 4,24