? bruggenbouw ? materialen?ir.C.P.W.J.Genders, , Grontmij Advies & TechniekNaast het gebruikelijke beton, staal en hout dient vezelversterkte kunststof (WK) zichaan als relatief nieuw constructiemateriaal voor de civiele techniek. Bepaalde voorde-len, zoals het lage eigen gewicht, de hoge sterkte en de hoge specifieke stijfheid kunnenvooreen select aantal toepassingen de doorslaggeven. Doorkunststofvezels, veelal vanglas, aramide of koolstof, met een bepaalde ori?ntatie in een hars aan te brengen kanmen de eigenschappen van het uiteindelijke materiaal, laminaat genoemd, optimaal opde daarop werkende krachten afstemmen [1,2].Om ervaring op te doen met het gedrag van ditmateriaal en de diverse ontwerp- en uitvoe-ringsaspectente onderzoeken iS besloten tot de fabricage van een proefbrug.Een op-dracht tot heUeggen van een houtenbrugis aangegrepen om het object in een praktijksi-tuatie te beoordelen. De aard van de belasting, namelijk voetgangers en fietsers, en devereiste geometrie hebben zich bij uitstek hiertoe geleend. Op 28 april j.1. is de brug ge-pla.atst in de nieuwe wijk Rijkerswoerd te Arnhem.EERSTECOMPOSIETBRUGINNEDERLANDDe geometrie van de kunststof brug wordtbepaald door vier trogvormen in lengterich-ting, aan boven- en onderzijde gekoppeld,zodat een vakwerkvormige dwarsdoorsne-de ontstaat. Ditvakwerk ondervangthetont-breken van dwarsdragers, bepaald door uit-voeringsmogelijkheden. De vezels in de lij-ven van de troggen zijn voornamelijk onder? 45? geori?nteerd. Z? worden deze belastdoor de voornamelijk hier optredende af-schuiving. De flenzen van de troggen alsme-de de onderplaat bestaan hoofdzakelijk uitlaminaat met vezels parallel aan de lengte-richting van de brug. Door het statisch be-paalde systeem treedt hier in lengterichtingvrijwel uitsluitend trek op.Betonnen dekVoor de rijvloer is gebruik gemaakt van con-ventioneel gewapend beton (845). Dit om-dat gebruik van VVK op deze plaats welis-waar mogelijk is, maar geen constructievevoordelen biedt. Door dun WK plaatmate-riaal met een sterk geconcentreerde belas-ting te confronteren bezwijken vezels lokaalop druk. Om enige lastspreiding in het kunst-stof te krijgen moet de plaat met een voordeze brug te kostbare dikte worden uitge"voerd.Indien de toepassing van een kunststof dekgewenst is, bijvoorbeeld door gewichtsei-sen, kan extra dikte worden verkregen doorhet dek als een sandwich uit te voeren.CD Afmetingen van de composietbrug@ Isometrische weergave van de brugop"bouw16 CEMENT1997/6? Kunststof liggerbrug opgesteld v??r het beton storten 8) Stalen connectors vormen de verbinding beton-kunststofDaarbij kan kernmateriaal in de vorm vanschuim, hout of een (kunststof) honingraat-structuurvoorbesparingop hetrelatiefhoog-waardiger vezelversterkte laminaat zorgen.Een tweede argument is het feit dat betonuitstekend op druk te belasten is en arami-devezel in de eerste plaats goede trekweer-stand biedt. Zodoende wordt het materiaal-gebruik nog meer op de krachtsverdeling inde constructie afgestemd dan reeds met uit-sluitend VVK mogelijk is.Daarnaastverleent het beton een grote hoe-veelheid massa aan de brug, zonder welkeeen verticale verankering noodzakelijk zouzijn.Verbinding beton-kunststofToepassing van beton voor het dek introdu-ceert een extra aspect in het ontwerp: deverbinding. Daar waar enerzijds beton doormiddel van doorkoppeling van het wape-ningsstaal en anderzijds laminaat door con-tinuering van de vezels gemakkelijk kunnenworden gekoppeld, is dit voor een combina-tie niet het geval. De twee materialen heb-ben geheel andere dimensies en een afwij-kende oppervlaktestructuur. Opsluiting vanhet laminaat in het beton is door verschil inthermische uitzettingsco?ffici?nten nietge-wenst, zo blijkt uit diverse proefnerningen.CEMENT1997/6Twee verbindingstypenVoor de bevestiging van het dek is daaromvoor twee alternatieve oplossingen geko-zen. ??n is gebaseerd op aanhechting van,gedeeltelijk op vezelversterkte kunststofplaten ingestrooid grit met daarop gestortbeton. Onzekerheid bestaat er bij dit typemet name over hetgedrag bij belasting lood-recht op het vlak van de verbinding en dyna-mische belasting in het algemeen.Het andere type lijkt het meest op zoge-noemde perfobanddeuvels, zoals reeds toe-gepastin staal-betonvloeren in de offshore.Daarbij worden de koppen van de kunststofliggers voorzien van stalen hoedprofielenmet ronde perforaties. Door dit staal overeen groot oppervlak met het kunststof teverlijmen en vervolgens het beton over dedeuvels te storten wordt een betrouwbareverbinding verkregen. Het gedrag van de af-zonderlijke elementen van deze verbindingis in grote lijnen reeds bekend [3].~In afwachting van definitieve proefresulta-ten is in deze brug gebruik gemaakt van sta-len connectors. Zekerheid met betrekkingtothet functioneren van de verbinding heeftbij deze keuze de doorslag gegeven. Het isimmers hier niet de bedoeling een verbin-ding met beton te beproeven; ervaring ver-krijgen met het kunststof staat voorop.Analyse van het materiaalgedragDe glijdingsrnodulus van kunststofvezelma-teriaal is relatief veel lager dan die van bij-voorbeeld beton of staal. Daarom kan voorde beschrijving van de vervorming van eenconstructie niet worden volstaan met bere-kening van de buigvervorming met de klas-sieke Iiggertheorie. Het in rekening brengenvan een aandeel afschuifvervorrning metbehulp van een co?ffici?nt biedt vanwegezowel de ori?ntatie als het gedrag van hetmateriaal geen uitkomst. Vandaar dat bijVVK-constructies reeds ineen vroeg sta-dium toevlucht wordt genomen tot het ge-bruik van een computerprogramma dat ge-bruik maakt van een eindige-elementenme~thode (EEM).Het ontwerp en de diverse controles van debrugdelen zijn dan ook uitgevoerd met be-hulp van onder meer Ansys. Dit EEM-pakketbiedt de mogelijkheid eigenschappen vanVVK eenvoudig in een constructie op te ne-men en de bij de diverse belastingen optre-dende spanningen en vervormingen gra-fisch weerte geven. Vergelijkingvan de resul-taten van ontwerpberekeningen, controle-berekeningen met Ansys en uitkomsten vanhet testprogramma levert een ruime hoe-veelheid betrouwbare informatie voor hetvoorspellen van het gedragvan toekomstigeWK-constructies. Uit het voorafgaande kanin ieder geval worden geconcludeerd dat deconstructie, zoals deze er nu ligt, over vol-doende reserve beschikt zowel wat betreftsterkte als stijfheid, om ook op de lange duurte blijven voldoen.? Kopdetail van een brugelement n? hetstorten van de betonnen deklaag17? bruggenbouw ? materialen?? Proefopstelling in het Delftse StevinlabTestmethodeHet experimentele karakter van de brughoudt in dat zowel ontwerp, uitvoering alshet gedrag gedurende een lange periodemet diverse proefnemingen omgeven zijn.Zo is de verbinding tussen het beton en dekunststof liggers afzonderlijk beproefd. Inoktober 1996 is een deel van de brug, be-staande uit ??n trogligger met betonnendek, in het Stevinlaboratorium te Delft be-proefd. Deze ligger is voorzien van beide be-tonverbindingstypen, elk over de helft vande overspanning.Uit meting van de doorbuiging blijkt de kruipin beide verbindingen vrijwel onmeetbaar.Toch treedt er ter plaatse van de verbindingmet ingestrooid grit iets meer vervormingop. Bij belastingtotcirca 100 kN blijktde stijf-heid van de ligger ongeveer 50% groter danvooraf berekend.Hettrillingsgedrag is door de (eerste) eigen-frequentie van ongeveer 6,3 Hz gunstig tenoemen. Omdatde ligger binnenkort nogtotbezwijken moet worden gebracht is voorals-nog niets bekend over de werkelijke sterktevan hetgeheel.Vervaardiging/plaatsingDe brugmodules zijn de afgelopen maandengefabriceerd in de fabrieken van Polymarinte Medemblik en in het Brabantse Ooster-hout. Hiervoor zijn twee stalen mallen ge-maakt: ??n voor de onderzijde en de zijkan-ten van de brug, ??n voor het lamineren vande trogliggers.Na lossing van de trogliggers uit de mal zijndeze metde onderplaatverlijmd. Vervolgenszijn de stalen connectors geplaatst, waaropverloren bekisting is gelegd. Storten van hetbeton onder geconditioneerde omstandig-heden heeft voor een snelle uitharding ge-zorgd. Na circa tien dagen werd een beton-druksterkte van meer dan 80% van de ver-eiste eindwaarde bereikt en was het verant-woord de complete constructie uit de mal telossen.Met behulp van ingestorte hijsankers zijn dedrie modules vervolgens op een opleggergetild, waarna transport over de weg naarArnhem mogelijk was. Ter plaatse zijn debrugdelen door een mobiele kraan op devooraf vervaardigde betonnen onderbouwgehesen. Storten van de voegen en plaat"sing van de leuningen zorgden daarna voorweinig oponthoud. Debrugwas al binnen en-kele weken voor het publiek toegankelijk.Toekomstige ontwikkelingenDoor het modulaire systeem is het mogelijkom i.n dezelfde mallen iedere overspanningtussen 1 en 10 m te fabriceren. Door deel-baarheid van de ondermal is de breedtedaarbij vrij te kiezen. Op grond van nacalcu"latiegegevens, resulterend uitdit project kanop realistische wijzeworden nagegaan ofge-bruik van vezelversterkte kunststof in brug-liggers op de korte danwel middellange ter-mijn in bepaalde toepassingen concurre-rend kan zijn met beton, staal ofhout.Omdat een VVK-constructie de ontwerper inprincipe vrijwel onbeperkte vrijheid in vorm-gevinggeeft, kunnen ook andere factorenvoor deze afweging doorslaggevend zijn, zo-als de architectonische mogelijkheden. Van-wege de relatief hoge prijs in vergelijking metde standaard-materialen zullen eisen aaneigen gewicht, onderhoud en vorm doorslag"gevend zijn.Ontwikkeling van ontwerprichtlijnen zal opbasis van projecten als hier beschrevenplaatshebben. Initiatieven hiertoe zijn al ge-nomen, onder meer door de NederlandseFederatie voor Kunststoffen en het interna-tionale Eurocomp Eureka-project [4].Inde nabije toekomst wordt ontwikkelingverwacht van grotere bruggen, uitbreidingvan bestaande bruggen en sluisdeuren. Bijsluisdeuren moeten dan verminderde on-derhoudskosten gedurende de levensduurtot uiting komen; bij beweegbare bruggenspeelt ook het eigen gewicht mee. Momen-teel wordt reeds onderzoek verricht naar debouw van glasvezelversterkte kunststofdeuren voor een sluis in de Biesboseh. Daar-naastwordt gewerkt aan uitbreiding van hetbrugconcept tot bruggen voor normaal ver-keer.([) Brugelement vlak v??r het lossen ? Opslag van de gerede brugelementen18 CEMENT1997/6BetrokkenenIn dit project heeft Grontmij Advies & Tech-niek samengewerkt met Akzo Nobel AramidProducts en Polymarin. Grontmij zorgde voorontwerp, berekening en co?rdinatie tijdensde uitvoering. Akzo Nobel fabriceerde devoor de brug benodigde Twaron kunststofve-zels en bracht de bijbehorende kennis in. Po-Iymarin ten slotte, fabrikant van kunststofproducten zoals windmolenbladen enzwembadbodems, tekende voor de vervaar"diging.Het project is onlangs bekroond metde Duitse Techtextil innovatieprijs.literatuur1. Marissen, R, Inleiding VezelversterkteKunststoffen. Collegedictaat Wb1430A,TUD Werktuigbouwkunde, Delft, 1994.2. Powell, P.C., Engineering with FibrejPoly- ? Transport van de brugelementen naar de bouwplaatsmer Laminates. London, Chapman & Hall,1994.3. Kwa, M.E.H., Design aspects of composi-te steel-concrete-steeldecks and theirap-plicability for offshore constructions. TUDOffshore technologyjSteel structures, Delft,1995.4. Clarke, J., Structural design of polymereconstructions. Design code and handbook.London, Chapman & Hall, 1996.? Montage van de hoofdoverspanning?CEMENT:l.997j6 19