O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2006 674Onderzoek is verricht naar de standvan de techniek van (zeer)hogesterktebeton en of dit materiaal economisch kan worden toegepast vooreen spoorbrug. Als alternatief vooreen referentieproject in staal zijnvoor vier verschillende betonsterkteklassen ontwerpen gemaakt: inC53/65, in C100/115 zonder staalvezels, in C100/115 met staalvezelsen in C150/180. De brug heeft eenoverspanning van 13 m en isgetoetst aan bestaande rekenregels en aan rekenwaarden opgesteld aan de hand van een literatuurstudie. De constructiehoogtebedraagt 870 mm.Voordat de brug in hogesterktebeton in de spooromgeving is tezien, moet nog een aantal aspecten duidelijk worden, onder meerover de vermoeiingseigenschappen van deze nieuwe betonsoorten. Voornamelijk over de drukdrukvermoeiing is nog weinigbekend. Onderzoek naar dezeeigenschappen is van groot belangvoor de ontwikkeling van deze ligger; dit geldt ook voor andere initiatieven met dit nieuwe materiaalin de markt.E i g e n s c h a p p e n b e t o n -m e n g s e l sIn de nieuwe mengsels heeft vooral de druksterkte een grote ontwikkeling doorgemaakt; ook iseen toename te zien van de treksterkte. De elasticiteitsmodulusblijkt voornamelijk te wordenbe?nvloed door de mengselsamenstelling, die ook de snelheid vanontwikkeling van de eigenschappen in hoge mate bepaalt. Voor deontwikkeling van de druksterkteen de elasticiteitsmodulus zijnlogaritmische functies opgesteldin relatie tot de proefresultaten.De toename van sterkte en stijfheid in de tijd is groot, wat hetmateriaal geschikt maakt voor prefabricage. Voor het berekenen vande ligger in C53/65 is gebruikgemaakt van de VBC, voor de liggerin C100/115 zonder staalvezelsvan CURAanbeveling 97, metdaaraan toegevoegd de verkregeninzichten tijdens de literatuurstudie. De rekenwaarden voor betonin C100/115 en C150/180, beidemet staalvezels, zijn in tabel 1weergegeven.O n t w e r p l i g g e rDe constructiehoogte van de liggers staat vast; de vorm niet. Omeen handelbare ligger te verkrijgen die in veel projecten kan worden toegepast, is een ligger meteen laag eigen gewicht gewenst,die weinig tot geen onderhoudvergt. Een ligger die gemakkelijkmet relatief licht materieel kanworden geplaatst en getransporteerd, ook op locaties waar stalenbruggen moeten worden vervangen.KokerliggerAan spoorbruggen worden zeerstrenge doorbuigingseisen opgelegd, maximaal 1/1000 van deoverspanning. Aan de hand vande doorbuigingseis en de elasticiHogesterktebeton in despooromgevingir. H.J. de Bruijn1) en ing. F.J. van der Vaart, Movares2)dr.ir. C. van der Veen, TU Delft, faculteit CiTGIn de spooromgeving zijn in het verleden veelvuldig stalen bruggen toegepast.Bij het ontwerpen van nieuwe bruggen of bij vervanging van bestaande, wor-den vaak weer stalen bruggen toegepast, omdat deze over het algemeen eenkleinere constructiehoogte hebben dan bruggen in conventioneel beton.In hogesterktebeton blijkt het echter mogelijk bruggen te ontwerpen met eenvergelijkbare constructiehoogte, wellicht een goed alternatief voor stalenbruggen. In de spooromgeving is dit nieuwe onderhoudsvriendelijke materi-aal echter nog niet toegepast; reden voor Movares om hiernaar onderzoek tedoen.1) H.J. de Bruijn is op dit onderzoek afgestudeerd aan de TU Delft. De afstudeercommissiebestond uit prof.dr.ir. J.C. Walraven, dr.ir. C. van der Veen, dr.ir.drs. C.R. Braam en dr. A.Romeijn.2) Movares is sinds 1 mei 2006 de nieuwe naam voor Holland Railconsult.1 |Ingegoten spoorstaaf-constructie2 |Ligger uitgevoerd inC53/65O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2006 6 75teitsmodulus van de gekozenbetonsterkteklasse is het kwadratisch oppervlaktemoment bepaalddat minimaal nodig is om aandeze eis te voldoen.Bij de gestelde overspanning enconstructiehoogte bleek een kokerde meest economische vorm. Delijven nemen de dwarskrachtenop, de flenzen zorgen voornamelijk voor goede buigingseigenschappen: een groot kwadratischoppervlaktemoment, waardoor dedoorbuiging beperkt blijft en devoorspanning het meest effectiefis. In de bovenflens van de kokeris een ontsporingsgeleiding ge?ntegreerd.Ingegoten spoorstaafconstructieOm een lage constructiehoogte teverkrijgen is een ingegoten spoorstaafconstructie toegepast (fig. 1).De spoorstaven worden in eengoot aangebracht, direct boven hetlijf, zodat de krachten uit de wielen van de trein direct het lijf inkunnen vloeien.Smalle lijvenOm een groot kwadratisch oppervlaktemoment te verkrijgen moethet materiaal vooral aan de bovenen onderkant van de doorsnedeworden geplaatst; de lijven leverenrelatief weinig op. Bij het ontwerpvan de ligger is ernaar gestreefdde lijven zo dun mogelijk te houden. Daartoe is voorspanning toegepast met neerdrukpunten, waardoor de opneembare dwarskrachtvan de doorsnede wordt vergroot.Bijkomend voordeel van voorspanning met neerdrukpunten is datdeze de momentenlijn beter volgten een kleinere opbolling van deligger veroorzaakt dan bij rechtevoorspankabels.Voor de vier betonsterkteklassenis een doorsnede ontworpen dieaan de gestelde eisen voldoet.A n d e r m e n g s e l , a n d e r ee i g e n s c h a p p e n , a n d e r el i g g e rC53/65Een ontwerp in C53/65 past meteen kokervorm niet binnen degestelde constructiehoogte; eenplaat is het gevolg (fig. 2). Dedruksterkte in het beton is lagerdan in de andere toegepastebetonsterkteklassen, waardoorveel meer materiaal benodigd is,zowel beton als voorspanstaal.Doordat de constructiehoogte vastligt, wordt het toegevoegde materiaal steeds minder effectief doordathet steeds dichter bij het zwaartepunt van de doorsnede komt teliggen. Naast de voorspanning isook betonstaalwapening noodzakelijk, onder meer als splijtwapening om de inleiding van de voorspankrachten mogelijk te makenen als scheurverdelende wapeningom spanningen ten gevolge vantemperatuurbelastingen te kunnen opnemen.C100/115 zonder staalvezelsDoor de hogere betondruksterktevan dit mengsel is het mogelijkbinnen de gestelde constructiehoogte een koker toe te passen(fig. 3). Dit levert een aanzienlijkemateriaalbesparing op, zowel aanbeton als aan voorspanning. Voorde inleiding van de voorspankrachten is nog steeds splijtwapening benodigd, evenals eenscheurverdelende wapening voorhet opnemen van de temperatuurbelasting in dwarsrichting van dekoker. Voor het opnemen van dedwarskracht zijn beugels benodigd.C100/115 met staalvezelsQua toelaatbare druksterkte is erpraktisch geen verschil metC100/115 zonder staalvezels. Opde vorm van de koker heeft ditdan ook geen invloed (fig. 4). Dezebetonsterkteklasse is echter taaieren heeft gunstiger eigenschappenbij belasting op trek. Dit is vangrote invloed op de benodigdehoeveelheid wapening in de ligger. Op de voorspanning na is ergeen wapening meer benodigd.De staalvezels zorgen voor eenscheurverdelende werking in hetbeton. Zowel de inleiding van devoorspankrachten als de inwendi3 |Ligger uitgevoerd inC100/115 zonder staalve-zelsTabel 1 | Mengsels met bijbehorende eigenschappenTU-mengselC100/115met staalvezels Secutec S9cement (kg/m3) 913 -bindmiddel (kg/m3) 1100silicafume (kg/m3) 61 -zand (kg/m3) 1098 -bauxiet 0 ? 1 mm (kg/m3) 685bauxiet 5 ? 8 mm (kg/m3) 625staalvezels (kg/m3) 125 200plastificerende hulpstof (kg/m3) 21 -water (kg/m3) 207 200water-bindmiddelfactor (-) 0,18volumieke massa (kg/m3) 2425 2850karakteristieke druksterkte f'ck(N/mm2) 115 183rekenwaarde druksterkte f'b(N/mm2) 69 108rekenwaarde treksterkte fb(N/mm2) 5 5,5gemiddelde treksterkte fbm(N/mm2) 8,6 9,5elasticiteitsmodulus E'b(N/mm2) 45500 64000kruipfactor (-) 1 1maximale krimp in buitenlucht () 0,47 0,57kosten1) (/m3) 600 15001) De kosten zijn sterk afhankelijk van de benodigde hoeveelheid; genoem-de waarden zijn geen algemene waarheid.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2006 676ge krachten ten gevolge van temperatuurwisselingen worden doorde staalvezels opgenomen. Daarnaast vergroten de vezels hetafschuifdraagvermogen van de lijven, zodat geen beugels meerbenodigd zijn.C150/180Het mengsel in C150/180 is zosterk, dat de doorsnede nog verderkan worden gereduceerd (fig. 5).Zowel de lijven als de flenzenkunnen dunner vanwege de grotesterkte van dit materiaal. De druksterkte is zelfs zo groot dat deelasticiteitsmodulus van dit mengsel maatgevend wordt.H e t o p t i m u mDe doorsneden (fig. 6) zullen worden vergeleken met behulp vanunity checks. Hierdoor ontstaateen duidelijk beeld in hoeverre hetmateriaal optimaal is benut.Uit tabel 2 blijkt dat de doorsnedein C53/65, door het grote oppervlak en kwadratisch oppervlaktemoment, erg veel overcapaciteitheeft ten aanzien van doorbuigingen dwarskracht. Geconcludeerdkan worden dat dit mengsel alleenvoor grotere constructiehoogteneffici?nt kan zijn.Het mengsel in C100/115, zowelmet als zonder staalvezels, leverteen `uitgenut' ontwerp met hogeunity checks.De ligger in C150/180 heeft eenzeer slanke doorsnede. Echter, bijdeze constructiehoogte wordt dedruksterkte niet volledig benut.Dit is zonde van het materiaal: hetis voor het kwadratisch oppervlaktemoment benodigd om aan dedoorbuigingseis te voldoen; nietmet het oog op de druksterkte.Economisch de beste keusUnity checks hebben veel waardevoor de constructeur; een opdrachtgever is echter op zoek naar deeconomisch meest aantrekkelijkeoplossing. Aan de hand van debenodigde hoeveelheden materiaal(tabel 3), de bekisting en de transport en hijskosten zijn de diversealternatieven vergeleken. Metandere woorden: vormt een brugin hogesterktebeton een economisch alternatief voor een stalenbrug en zo ja, welke oplossing isdan het beste.In figuur 7 zijn de kosten voor dediverse alternatieven grafisch weergegeven. Het blijkt dat de stalenvariant duurder is dan de betonnenvarianten. Indien het onderhoudgedurende de levenscyclus van debrug ook in de vergelijking zouworden meegenomen, zou dit hetverschil alleen maar groter maken.Een betonnen brug heeft praktischgeen onderhoud nodig, zeker invergelijking met staal. Van debetonnen varianten is het mengselin C100/115 zonder staalvezels hetgoedkoopste. Het mengsel inC100/115 met staalvezels (het TUmengsel) ligt hier niet ver vanaf.Tabel 2 | Overzicht diverse unity checks doorbuiging druksterkte dwarskracht (kN) Mu(mm) (N/mm2) ongescheurd gescheurd betondruk (kNm)diagonaalC53/65 benodigd3) 13 -15,40 2085 2085 2156 4543aanwezig 8,67 -15,60 - 3122 12550 8929unity check 0,67 0,99 - 0,67 0,17 0,51C100/115 benodigd3) 13 -25,68 1860 769 1860 3889zonder aanwezig 11,99 -25,68 2020 1316 2371 7798vezels unity check 0,92 1,00 0,92 0,58 0,78 0,50C100/115 benodigd3) 13 -26,25 1892 1029 1892 4197met aanwezig 12,97 -27,60 2369 1182 1973 7305vezels unity check 1,00 0,95 0,80 0,87 0,96 0,57C150/180 benodigd3) 13 31,36 1936 1073 1936 4137aanwezig 12,87 43,20 2239 1082 1959 7352unity check 0,99 0,73 0,86 0,99 0,99 0,563) Voor doorbuiging te lezen: `maximum'.4 |Ligger uitgevoerd inC100/115 met staalvezels5 |Ligger uitgevoerd inC150/180O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2006 6 77010000200003000040000500006000070000C53/65 C100/115 TU mengsel C150/180 staalmateriaalkeuzekosten()hijsentransporttempexwapeningvoorspanningbetonbekistingstaal leveren +verwerkenTabel 3 | Overzicht benodigde hoeveelhedenmengsel C53/65 C100/115 zonder C100/115 C150/180staalvezels met staalvezelsbeton (m3) 34,2 12,6 12,1 8,1voorspanning (kg) 2530 1825 1551 1527wapening (kg) 2150 1500 0 0tempex (m3) 0 9,5 10 13,1massa ligger (excl. spoorstaaf) (ton) 82 33 32 236 |Verschil in doorsnedeafhankelijk van beton-sterkteklasseDe doorsneden in C53/65 enC150/180 zijn beide een stukduurder. De brug in C53/65 heefteen hoog eigen gewicht, wat zorgtvoor hogere transport en hijskosten en een grotere benodigde hoeveelheid voorspanstaal. De doorsnede in C150/180 is de lichtstevariant in beton, maar niet degoedkoopste, doordat dit mengselerg duur is per m3. Zoals al uit deunity checks bleek, is voor dit ontwerp de druksterkte van het materiaal niet volledig uitgenut.C o n c l u s i e sUit zowel de unity checks als dekostencalculatie blijkt dat voor hetgekozen referentieproject een vervangende brug in C100/115 optimaal is. Een brug uitgevoerd inhogesterktebeton is een goedalternatief voor zowel de bestaande stalen bruggen als voor bruggen in de conventionele betonsterkteklassen. De verwachting isdan ook dat deze brug zijn intredezal doen in de spoorinfrastructuur. Een brug die gezien deonwenselijkheid van buitendienststellingen, zeer gewenst is.Vanwege de zeer scherpe vervormingseisen in de spooromgevingis het niet zinvol voor het gekozenreferentieproject een nog hogeresterkteklasse toe te passen danordegrootte C100/115. Om dedoorbuiging te beperken isimmers een zeker kwadratischoppervlaktemoment nodig. Derelatief grote waarde hiervan tenopzichte van de druksterkte zorgtervoor dat de drukspanning in dedoorsnede lang niet de druksterkte zal bereiken. Een hogere sterkteis dus niet zinvol zolang de stijfheid niet toeneemt.Door het toepassen van neerdrukpunten in de lijven van de liggerin plaats van alleen rechte voorspankabels ontstaat een ligger diegoed de momentenlijn van de ligger volgt. Het geknikte verloopzorgt ervoor dat het beton eenkleinere dwarskracht moet opnemen en dat de opbolling van deligger kleiner is dan in de variantmet alleen rechte voorspankabels.De hoge voorspangraad zorgtervoor dat met betrekking tot dedwarskracht in een groot deel vande ligger met een ongescheurdedoorsnede kan worden gerekend,waardoor minder of zelfs geenbeugels benodigd zouden zijn.Aan hogesterktebeton moet weliswaar nog veel onderzoek wordenverricht, maar het biedt veelpotentie, zeker in de spooromgeving. n7 |Materiaalkeuze versuskosten