C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wDwars door Zwolle wordt de A28uitgebreid met plusstroken om detoenemende files in te dammen.Door het aanleggen van dezeextra strook komt het verkeerdichter op de randen van dekunstwerken te rijden. Dit is debelangrijkste, maar niet de enigereden waardoor deze zwaarderworden belast; ook nog te realise-ren geluidsschermen betekeneneen extra belasting. Bij het toetsenvan de in de jaren zestig gebouw-de kunstwerken aan de toekom-stige wegindeling bleek dat destille reserve ervan niet voldeedaan de vigerende sterkte-eisen.Na een variantenstudie is beslo-ten de kunstwerken te versterkenmet uitwendig gelijmde koolstof-vezelwapening (CFRP: CarbonFibre Reinforced Polymers).De versterkingen zijn gebaseerdop de belastingen uit de voorlo-pers van de nieuwe Europesevoorschriften. Het onverkort toe-passen van de nieuwbouwricht-lijnen leidt tot afkeuren vanbestaande kunstwerken. Daaromis het concept RichtlijnenBeoordelen Bestaande Kunst-werken RBBK [2] toegepast.V a r i a n t e n s t u d i eDe bestaande kunstwerken zijngetoetst op sterkte- en duurzaam-heidseisen. Door de plusstrokenen geluidsschermen werden devigerende sterkte-eisen conformNEN 6702, NEN 6720 en NEN6723 met 10% tot 30% overschre-den. Ook vanuit beheersoogpuntwas renovatie noodzakelijk. Deproblemen met de sterkte tradenvooral op in de velden; bij enkelekunstwerken ook boven de steun-punten.Voor de versterking van de kunst-werken, in het werk gestortegewapende plaatviaducten, is eenvariantenstudie verricht, waarbijde opdrachtgever enkele belang-rijke eisen en randvoorwaardeninbracht. Zo moest de rijkswegtijdens de renovatie van het weg-dek en het aanbrengen van deplusstrook en de geluidsscher-men, bereden kunnen worden ineen 4-0-systeem (verkeer in beiderichtingen met 2 x 2 versmalderijstroken op ??n hoofdrijbaan).De gemeente Zwolle wilde tijdensde 4-0-situatie geen afsluiting vande gemeentelijke onderdoorgan-gen en wilde de stremmingenv??r aanvang van dit systeemzoveel mogelijk beperken. Ookmocht de doorrijhoogte met nietmeer dan 50 mm worden geredu-ceerd. Als bijzondere technischerandvoorwaarde gold dat dekunstwerken versterkt moestenzijn v??rdat het 4-0-systeem zouintreden, omdat dit systeem demaatgevende belasting levert.Als varianten zijn beschouwd:? aanbrengen randbalken;? uitwendig gelijmde koolstof-vezelwapening (eventueel voor-gespannen);? verlijmde stalen strippen;? aanbrengen constructieve druk-laag;? uitwendige voorspanning (inlangs en/of dwarsrichting);? nieuwbouw.Criteria waren onder meer kos-ten, uitvoeringsduur, overlastvoor weggebruikers, constructie-hoogte en het opwaarderen vande capaciteit van de doorsnede.De kosten en uitvoeringsduur(eis: gereed december 2003, dezedatum is gehaald) van versterkenmet uitwendig gelijmde koolstof-vezelwapening (foto's 1 en 2)waren voor de opdrachtgevermaatgevend. Ook aan de eis datde kunstwerken versterkt dien-den te zijn voordat het 4-0-sys-teem in werking zou treden, konhiermee uitstekend worden vol-daan.De meeste kunstwerken moestenenkel aan de onderzijde wordenversterkt; bij sommige waren ookde steunpuntsmomenten tegroot. Hierdoor zou de wapeningboven de steunpunten vloeien enzouden de momenten in het veldtoenemen. De versterking van decement 2004 264Viaducten in Zwolle versterkt met 25 km koolstofvezelwapeningGrenzen CUR-Aanbeveling 91in praktijk zichtbaaring. M.Th.M. Somers PMSE, Adviesbureau voor Bouwconstructies Wagema-ker bv, RosmalenBij zeven viaducten in de A28 in Zwolle is in totaal 25 km koolstofvezellamel-len aangebracht. In dit project is CUR-Aanbeveling 91 [1] in de praktijk toege-past en daarmee worden volgens de auteur de grenzen van deze Aanbevelingzichtbaar. Verder werd duidelijk dat lijmen zonder verkeersbeperking mogelijkis: de hechting van de lamellen wordt niet nadelig be?nvloed en het voorkomtlange files. Een gunstig teken voor de betonreparatiebranche bij de groot-schalige aanleg van spits- en plusstroken in heel Nederland.1 | Aanbrengen lamellenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wonderzijde is dusdanig gedimen-sioneerd dat ook de toename vande veldmomenten door het her-verdelen van de steunpuntsmo-menten kan worden opgevangen.Dit had als groot voordeel dat dewerkzaamheden het verkeer opde A28 niet zouden hinderen.Naast de RBBK is gebruikge-maakt van het memo `Moge-lijkheden bij het niet voldoen aande VBC-eisen bij gangbare bere-keningsmethode' van de werk-groep RBBK.Als belastingsgevallen zijn opge-steld:? 4-0-belastingsgeval laststelsels conform Eurocode;? werkelijke rijstrookindeling laststelsels conform Eurocode;? fictieve indeling met kortereferentieperiode laststelsels conform Eurocode;? calamiteit laststelsels conform VBB.B e o o r d e l i n gb e t o n c o n s t r u c t i eVersterkingen met koolstofvezel-wapening zijn alleen mogelijk alsde conditie van de betonconstruc-tievoldoetaaneenaantaleisen.Zodient de hechtsterkte minimaalgelijk te zijn aan 1,5 N/mm2.Hiertoe is een destructief beton-onderzoek uitgevoerd. Uit de re-sultaten hiervan bleek dat dezewaarde overal ruim werd gehaald.Daarnaast is na onderzoek van dedruk- en treksterkte meer inzich-telijk wat de capaciteit van de be-tonconstructie is.Tevens zijn de kunstwerkenbeoordeeld op wapeningscorro-sie, carbonatatie- en chloridescha-de. Over het algemeen gaven demetingen geruststellende resulta-ten. Slechts bij ??n kunstwerk, debrug over het Zwarte Water, iseen te grote carbonatatiedieptegemeten. Dit kunstwerk isgebouwd in 1939 en verbreed in1966. Besloten is de koolstofla-mellen van de brug over hetZwarte Water te verankeren.P r a k t i j k v o o r b e e l d :v i a d u c t C e i n t u u r b a a nRijksweg A28 kruist ter hoogtevan afrit Zwolle-Noord de N35met het viaduct Ceintuurbaan.Dit kunstwerk, gebouwd in1963, telt vijf overspanningen.Specifiek voor dit viaduct wordtde toepassing van CUR-Aan-beveling 91 en de RBBK bespro-ken. Door de te realiseren plus-strook komt het verkeer dichterop de rand te rijden. Tevenswordt het kunstwerk voorzienvan een 5 m hoog geluids-scherm. Herberekening ervanmet de nieuwe uitgangspuntentoont aan dat de sterkte onvol-doende is. De veldmomenten inlangs- en dwarsrichting zijn gro-ter dan de beschikbare moment-capaciteit.De composietwerking tussenhet beton en de koolstofvezelwa-pening dient te voldoen aan deeisen uit de CUR-Aanbeveling.Bij de meeste kunstwerken is detoets in de bruikbaarheidsgrens-toestand maatgevend, waarbijde betonstaalspanning benedende vloeigrens moet blijven.Wanneer de versterking uitvalt,moet de belasting als bijzonderebelastingscombinatie in de uiter-ste grenstoestand kunnen wor-den opgenomen met materiaal-en belastingsfactoren gelijk aan1,0. De verlijming van de lamel-len kan uitvallen door een cala-miteit, bijvoorbeeld een bran-dend voertuig onder het viaduct.Daarnaast is de werking van hetsysteem gecontroleerd. De vol-gende toetsen zijn hierbij uitge-voerd:? onthechting bij dwarskracht-scheuren;? onthechtingdoortehogeschuif-spanningen;? onthechting door onvoldoendeverankeringslengte;? controle van het mechanismeeindverankering-dwarskracht-breuk.De controle van het mechanismeeindverankering-dwarskracht-breuk is opgenomen om bezwij-ken door afschuifbuigbreuk tecement 2004 2 652 | Lamellen in langsrichtingzijn aangebracht, metlamellen in dwarsrich-ting is begonnen3 | Scheur in trekdiagonaaldoor krachtsconcentratieaan lameleinde [3]FC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wvoorkomen. In intensieve sa-menwerking met ir. D. Nuijensen ing. N. Kaptijn van deBouwdienst Rijkswaterstaat zijnaanvullende criteria geformu-leerd. De CUR-Aanbeveling stelttwee eisen aan dit mechanisme:- Vdu Vouu- V> 1 + L / dswaarin:Vduis de dwarskracht in dedoorsnede op een afstanddsvan het einde van dekoolstofvezelwapening;Vouuis de uiterst opneembaredwarskracht voor hetmechanisme eindveran-kering-dwarskrachtbreuk;Vis de dwarskrachtslank-heid volgens 8.2.3.1. vanNEN 6720;dsis de nuttige hoogte vande betondoorsnede voorde inwendige betonstaal-wapening;L is de afstand tussen heteinde van de koolstofve-zelwapening en de dag-maat van de oplegging.De laatste voorwaarde lijkt bijtussensteunpunten (statischonbepaalde constructies) minderrelevant. De voorwaarde is afge-leid voor puntlasten [3], bijvoor-beeld aslasten. Bij statisch onbe-paalde constructies is het beterterug te gaan naar de essentievan de voorwaarde.Figuur 5 uit de CUR-Aan-beveling kan de indruk wekkendat het mechanisme alleen rele-vant is in de buurt van een opleg-ging; daar is immers over hetalgemeen de dwarskracht hetgrootst. Bij de versterking van deviaducten is getracht de lengtevan de lamellen zoveel mogelijkte beperken. Elke extra meterlengte resulteert voor een heelviaduct al snel in tientallen extrameters lamel!Bij het viaduct Ceintuurbaanzouden de lamellen voor deopname van de momenten in hettweede veld (15 m overspanning)al op 2,90 m uit de opleglijnmogen ophouden. Op een derge-lijke afstand van de oplegging isniet snel te verwachten dat dedwarskracht daar nog maatge-vend kan zijn. Dat is in dit gevalanders.Boven de lamel zal een secundairvakwerk ontstaan, met de lamelals trekband. Bij de be?indigingvan de lamel moet de `oplegreac-tie' ter plaatse (geconcentreerd)worden overgenomen door deschuine trekdiagonaal in de balk(fig. 3). De lokaal hogere trek-spanningen zullen resulteren inplaatselijke overbelasting van detrekdiagonaal. Eerst zal de dek-king scheuren, daarna breidtdeze scheur zich uit in de trek-diagonaal. Dit mechanisme leidtdus tot een plaatselijk kleinerdwarskrachtdraagvermogen.De lamellen moesten wordendoorgetrokken tot op ongeveer1 m van de opleglijnen.V e r m o e i i n gToepassing van CUR-Aan-beveling 91 bij dit project toondetevens de grenzen ervan aan. DeAanbeveling is geschreven vooroverwegend statisch belaste con-structies (utiliteitsbouw). Omdatde kunstwerken ook aan dynami-sche belastingen onderhavig zijn(verkeer), is een aanvullendebeschouwing van vermoeiingaan de berekening toegevoegd.De dynamische belasting is inrekening gebracht conform devermoeiingstoets uit NEN 6723.De controle op vermoeiing isonder te verdelen in de volgendetoetsen:? betondrukspanning;? betonstaal;? verbinding in en rond de lijm-verbinding.Het toepassen van koolstofvezel-wapening heeft op het aanwezigecement 2004 2664 |Eindverankering metbouten door de (alterna-tieve) lamellen5 | AanrijdbeveiligingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wbetonstaal een gunstig effect, despanningswisselingen wordenkleiner. De schuifspanningswis-selingen in de lijmverbindingzijn zo klein dat ze voor vermoei-ing geen enkel gevaar opleveren.Bij de lameleinden moeten deverankeringskrachten wordenopgenomen. Dit heeft vergrotingvan de schuifspanningen totgevolg, ook wanneer de veranke-ringskrachten wisselen. Delameleinden worden doorgetrok-ken tot de plaats waar moment-wisselingen minimaal zijn. Alsde wisselspanningen dan nog tehoog zijn, kan worden gekozenvoor een mechanische veranke-ring. Dit was het geval nabij deeindopleggingen. Door de aan-wezigheid van de einddwarsdra-ger kan de vereiste verankerings-lengte niet gehaald worden.Daarom is besloten de lamellenter plaatse van het eindsteun-punt te verankeren.A l t e r n a t i e v e l a m e l l e nCUR-Aanbeveling 91 is geba-seerd op de toepassing van kool-stoflamellen met vezels in ??nrichting. Dit type wordt door ver-schillende bedrijven aangebodenen bezwijkt bros. Het bezwijkme-chanisme is meestal afschuiftrek-breuk van de betonhuid in denabijheid van de lijmlaag.Vanwege dit brosse gedrag is inCUR-Aanbeveling 91 een vrijhoge materiaalfactor voorgeschre-ven.In de lamellen met vezels in ??nrichting mogen geen gaten wor-den geboord. De noodzakelijkemechanische verankering metbouten was in het bestek voorge-schreven met een stalen strip dieaan weerszijden van de lamel metvoorspanbouten wordt verankerd.Op de Europese markt is eenaanbieder van koolstoflamellendie bestaan uit vezels in verschil-lende richtingen. In deze stripsmogen wel gaten voor veranke-ringsbouten worden geboord.Strips die op deze manier zijnverankerd, vertonen een veeltaaier bezwijkgedrag. Bij overbe-lasting van de hiervoor genoem-de huid van de betonconstructiezal de bout die functie overne-men. De constructie vervormtwel maar bezwijkt niet. Dit typelamellen is toegepast (foto 4).P r o e f l a m e l l e nVoor de beheerder van de A28was het vrijwel onbespreekbaarom tijdens het lijmen en uithar-den het verkeer van de viaductente houden. Dit zou een aantalmaanden tot verkeerschaos heb-ben geleid. Onder ??n van de via-ducten is daarom een aantalproeflamellen aangebracht ter-wijl het verkeer normaal door-gang vond. Met een twintigtaltrekproeven kon vervolgens wor-den aangetoond dat de hechtingvan de lamellen niet nadelig wasbe?nvloed door de onderlinge(geringe) verschuiving van delamellen en het brugdek.A a n r i j d v o o r z i e n i n gEen aantal viaducten vertoontbehoorlijke aanrijdschade enschaafsporen van veel voertui-gen. Daarom worden de kunst-werken die versterkt zijn metkoolstoflamellen, beschermddoor een aanrijdconstructie (foto5). Tevens worden de lamellen indwarsrichting in de tweede laagaangebracht (foto 6), zodat dezebij eventueel `schaven' door ver-keer als geleiding werken.A a n b e v e l i n g e nVoor de eerste keer zijn inNederland zoveel kunstwerkenin ??n project versterkt met kool-stofvezelwapening. Uit de be-schreven ervaringen blijkt datnog nader onderzoek nodig isnaar:? eindverankering-dwarskracht-breuk;? vermoeiing;? gedrag in weer en wind;? duurzaamheid;? lagere materiaalfactor voor ver-ankerde lamellen. L i t e r a t u u r1. CUR-Aanbeveling 91,Versterken van gewapendebetonconstructies met uit-wendig gelijmde koolstofve-zelwapening. CUR, Gouda,juni 2002.2. Conceptversie RichtlijnBeoordeling BestaandeKunstwerken (RBBK).Bouwdienst Rijkswaterstaat.3. Jansze, W., Strengthening ofreinforced concrete mem-bers in bending by externallybonded steel plates.Dissertatie TU Delft, 1997.Projectgegevensopdrachtgever:Rijkswaterstaat Directie Oost-Neder-landconstructief ontwerp:Adviesbureau voor BouwconstructiesWagemaker bvhoofdaannemer:Salverda, `t Hardeleverancier lijmwapening:Sikaleverancier verankerbarekoolstoflaminaten:Tradecccement 2004 2 676 |Eindsituatie met in kleurgespoten lamellen inlangs- en dwarsrichting