O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2005 764De mogelijkheden voor toepassingvan ZHSB zijn onderzocht aan dehand van een referentieproject.Als referentieproject is gezochtnaar een bestaande stalen brugmet een grote overspanning. Opbasis van diverse criteria zoalseconomische haalbaarheid enuitvoerbaarheid is gekozen om deMoerdijkbrug in de rijksweg A16als uitgangspunt te nemen voorde te ontwerpen vaste brug inZHSB.R e f e r e n t i e p r o j e c tDe huidige Moerdijkbrug heefttien overspanningen van 100 m.Het 42,9 m brede dek biedt plaatsaan 2 x 3 rijstroken met vlucht-stroken en aan weerszijden eenparallelweg voor fiets- en land-bouwverkeer. Eind jaren '70 is bijde bouw van deze stalen kokerlig-ger onder meer uitgegaan van devolgende twee randvoorwaarden:? toepassen van de brugpijlersvan de oorspronkelijke vakwerk-brug uit de jaren '30;? om stremming van het wegver-keer te minimaliseren is debrug opgebouwd uit tien sta-tisch bepaalde overspanningen.In ??n weekend is telkens ??noverspanning vervangen dooreen nieuwe kokerligger.Om een goede vergelijking tekunnen maken tussen de bestaan-de stalen orthotrope kokerliggeren de te ontwerpen brug in ZHSBblijven deze twee randvoorwaar-den van kracht. In het afstudeer-project is verder aangenomen datde constructiehoogte beperkt moetblijven tot de hoogte van de stalenkokerligger. Dit betekent een toe-laatbare constructiehoogte van3,5 m. In combinatie met de rand-voorwaarde van hergebruik van debestaande brugpijlers, heeft ditgeresulteerd in een ontwerp vaneen zeer brede betonnen kokerlig-ger.U i t w e n d i g v o o r s p a n n e nGezien de grote overspanning vanelk veld, de capaciteit van debestaande brugpijlers en de kost-prijs van het materiaal ZHSB zalop dit materiaal bespaard moetenworden. In plaats van de traditio-nele voorspanning, die in hetbeton wordt aangebracht, isgebruikgemaakt van uitwendigevoorspanning. De voorspankabelsliggen buiten de betondoorsnedeen niet in de lijven van de koker-ligger. De dikte van een lijf wordthierdoor niet meer bepaald doorhet benodigd aantal voorspanka-bels.Slechts op enkele punten zijn devoorspankabels verbonden met debetondoorsnede. Dergelijke pun-ten (fig. 1) worden aangeduid metdeviator. Voor een goede bescher-ming van het staal worden deomhullingsbuizen ge?njecteerdmet injectiemortel. Naast eenmogelijke reductie op het gewichtvan de betonconstructie biedtuitwendig voorspannen meervoordelen [4]:? betonstorten is makkelijker,doordat in de lijven geen voor-spankabels aanwezig zijn;? er is de mogelijkheid om voor-spankabels te inspecteren, terepareren of bij onvoorzieneomstandigheden na te spannenof te vervangen;? de wrijving van de kabels in deomhullingsbuizen (met namehet Wobble-effect) is lager.Alternatief voor stalen kokerliggerbruggen?Kokerligger inzeer-hogesterktebetonir. A. ten Voorde, Bartels Ingenieursbureauir. R.P.H. Vergoossen, Arcadis InfraVanwege de sterke stijging van de kosten van staal en de hoge onderhouds-kosten van dit materiaal, kan het aantrekkelijk zijn om staal door anderematerialen te vervangen. Een veelbelovend materiaal hiervoor is zeer-hogesterktebeton (ZHSB). Uit eerder afstudeeronderzoek [1] is gebleken datzeer-hogesterktebeton een aantrekkelijk alternatief is voor het stalen rijdekvan een beweegbare brug.Waar bij een beweegbare brug de overspanning relatief kort is, behandelt ditartikel een afstudeeronderzoek naar de mogelijkheden van ZHSB als alterna-tief voor een vaste stalen brug met een grote overspanning [2,3]. Voor dezebruggen worden over het algemeen kokerliggers toegepast.*) De afstudeercommissie bestond naast de auteurs uit prof.dr.ir. J.C. Walraven, dr.ir.drs. C.R.Braam, dr.ir. C. van der Veen en dr.ing. A. Romeijn (allen TU Delft).Fpbovenflens voorspankabel deviatoreinddwarsdrageronderflens1 |Te berekenen onderdelenvan de kokerliggerO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2005 7 65Daardoor zullen er mindervoorspanverliezen optreden.Een groot nadeel van uitwendigevoorspanning is de kleinereinwendige hefboomsarm bij plaat-sing van de kabels in de kokercelen een lagere bijdrage aan hetbezwijkmoment. De scheurverde-lende werking is gering en daar-door is de kans op bros bezwijkengroter. Doordat de kabels nietcontinu gesteund worden, zijn zijgevoeliger voor trillingen tengevolge van het verkeer.Bij het ontwerp van een kokerlig-ger met uitwendige voorspanningmoet vooral aandacht geschonkenworden aan de deviator en deverankering van de voorspankabel.Verderop in dit artikel zal wordentoegelicht hoe de externe voor-spankracht via de einddwarsdra-ger naar de onder- en bovenflensvan de betonconstructie wordtgeleid. Vooral de einddwarsdrageris een belangrijk onderdeel in hetontwerpproces gebleken.M a t e r i a a lIn diverse artikelen in Cement isde afgelopen jaren aandachtbesteed aan kenmerkende eigen-schappen van ZHSB [5, 6]. Voorhet ontwerp is uitgegaan vanbeton B 180. In tabel 1 zijn enkelebelangrijke parameters weergege-ven.Het beton bevat 3% staalvezelsom de taaiheid van het materiaalte vergroten. De gehanteerdekruipfactor () is 0,8 en de aange-houden krimp ('r;max) is 0,57[7]. Een groot probleem bij ZHSBvormt het vaststellen van betrouw-bare eigenschappen op het gebiedvan vermoeiing. Bij slanke beton-constructies kan vermoeiing maat-gevend zijn en daarom is eentoetsing op dit bezwijkmecha-nisme vereist. Aan de hand van deVBB is getracht een betrouwbaretoetsing uit te voeren.Naast de vermoeiingseigenschap-pen is ook de waarde van degemiddelde buigtreksterkte metenige voorzichtigheid vastgesteld.Met name de richting van de staal-vezels in het beton en de wijzevan storten zijn cruciaal voor degrootte van de buigtreksterkte. Infiguur 2 levert werkwijze A, waar-bij vanaf ??n zijde beton in eenrechthoekige bekisting wordtgestort, een hogere buigtreksterk-te dan werkwijze B. Het blijkt, dater bij stort A een bepaalde zone(gearceerde gebied in fig. 2) aan-wezig is, waarin de vezels zichevenwijdig aan de lengterichtingvan de constructie ori?nteren.O n t w e r pElke kokerligger wordt opge-bouwd uit dertig segmenten meteen lengte van 3 m. Samen meteen begin- en eindsegment van4 m lang wordt op die manier eenligger van 100 m gevormd. Hetbegin- en eindsegment bevat deeinddwarsdrager. Elk segment is42,9 m breed en zal vanwege dehoogwaardige kwaliteit van ZHSBworden geprefabriceerd. De con-structiehoogte bedraagt 3,2 m,zodat voor de slankheid geldtL/h = 31.De ontworpen ligger bestaat uit zeskokercellen. De bovenflens is voor-zien van dwarsribben. Deze dwars-ribben, twee per segment, zijn infiguur 3 met blauw aangegeven. Indit figuur is ??n segment afgebeeld.Elke dwarsrib heeft een totale hoog-te van 330 mm en zal worden voor-zien van voorgerekt staal. Deonderlinge afstand van de dwars-ribben bedraagt 1,5 m. Om gewichtte besparen zal op de bovenflensgeen asfaltlaag worden aange-bracht. Uit onderzoek is gebleken,dat ZHSB direct berijdbaar is [6].In de onderflens zal ook voorgerektstaal worden aangebracht.Met behulp van het programmaAlp2000 is de langsdoorsnede vande kokerligger ontworpen. Belang-rijk hierbij is de invoer van dejuiste parameters geweest, zoalshet torsietraagheidsmoment. Dewaarde hiervan voor de kokerdoor-snede is handmatig met de mem-braananalogie bepaald. In Alp2000is een computerberekening vol-gens de Guyon-Massonetmethodeuitgevoerd.In langsrichting zijn 104 externevoorspankabels benodigd om aande eisen van NVN-ENV 1992-1-5 tevoldoen. E?n kabel bestaat uit 22strengen ?15,7 mm. In elke recht-hoekige kokercel zullen twintigkabels worden aangebracht. In elkebuitenste, driehoekige kokercel zul-len twaalf kabels worden geplaatst.Deze kabels zorgen voor een ge-middelde spanning in de beton-doorsnede ten gevolge van de werk-voorspanning van circa 16 MPa.Belangrijke toetsing bij zowel debovenflens als de langsdoorsnedeis naast de controle op vermoeiingde controle op knik. De boven-flens heeft tussen de dwarsribbeneen hoogte van slechts 45 mm enkan bezwijken op knik ten gevolgevan de externe voorspankracht.Uit een berekening blijkt echter,dat het bezwijkgeval `vermoeiing'maatgevend is. Knik in de slankelijven zal tevens niet optreden,zoals uit een berekening is geble-ken.E i n d d w a r s d r a g e rFiguur 4 toont het segment met inrood aangegeven de einddwars-drager. Met behulp van deze eind-dwarsdrager kunnen, in samen-werking met verticale schottentussen de lijven, de externe voor-Tabel 1 | Overzicht materiaaleigenschappen B 180 (in MPa)karakteristieke druksterkte f'ck180rekenwaarde druksterkte f'b108gemiddelde buigtreksterkte fbr12,5elasticiteitsmodulus E'b65 000vermoeiingsbuigtreksterkte fbr;v8,8rekenwaarde zuivere treksterkte fb5,92 |Stortmogelijkheden bijZHSBstortAstortBAA A - AO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2005 766spankrachten naar de boven- enonderflens worden geleid. Deschotten zijn in figuur 4 met geelaangegeven. De einddwarsdrageren de schotten zijn met behulpvan een eindige-elementenmodelin het programma ESA PrimaWingedimensioneerd.Tevens moet de einddwarsdragerde hoge splijtkrachten opnemendie door de externe voorspanningontstaan. Hiertoe zal in de eind-dwarsdrager interne dwarsvoor-spanning worden geplaatst. Daar-naast bevinden zich in de eind-dwarsdrager de verankeringen vanelke externe voorspankabel.Vanwege deze splijtkrachten en debenodigde ruimte voor de veran-keringen heeft de einddwarsdra-ger relatief grote afmetingen. Detreksterkte van ZHSB is slechtsmarginaal hoger (zie tabel 1) dande treksterkte van B 65. Vanwegekostenbesparing zijn de eind-dwarsdragers derhalve in B 65ontworpen.In figuur 5 is een opengewerkteafbeelding van de kokerliggerweergegeven. Met groen is hierinde deviator aangegeven. Directnaast de verticale lijven ontstaanhoge dwarskrachten ten gevolgevan de externe voorspanning.Daarom is hier de deviator ver-hoogd, zoals in figuur 5 te zien is.Tevens is te zien, dat de externevoorspankabels vrij in de kokercel-len hangen.Zoals reeds vermeld is de totaleconstructiehoogte van de kokerlig-ger uitgekomen op 3,2 m. Dehart-op-hart-afstand van de lijvenis 6,4 m. Behalve in de dwarsvoe-gen in de bovenflens tussen desegmenten ?n in de einddwars-drager zal er in de kokerliggergeen traditionele wapening wor-den toegepast. Dwarsvoorspan-ning in de boven- en onderflensen in de einddwarsdragers enexterne voorspanning in langs-richting zijn voldoende om heteigen gewicht en de verkeersbelas-ting te kunnen opnemen.K o s t e nDe reden om de Moerdijkbrug alsreferentieproject te kiezen is medegedaan om een goede vergelijkingte krijgen tussen de levensduur-kosten van een stalen brug en eenbrug in ZHSB. Hiertoe zijn debouwkosten van de bestaandeMoerdijkbrug met behulp van deindexreeks van het CBS naarheden omgerekend. Tevens zijnde onderhoudskosten voor deperiode 1979 tot en met 1990 vande bestaande brug op dezelfdewijze omgerekend. In de kosten-vergelijking is voor zowel debestaande als de ontworpen bruggeen rekening gehouden met hettransport van de elementen naarhet Hollands Diep.Om alle kosten goed met elkaar tekunnen vergelijken en de integralelevensduurkosten te bepalen zijnde onderhoudskosten met behulpvan de contante waarde omgere-kend naar het prijspeil van 2004.Hierbij is een effectief rentepercen-tage van 2% aangehouden.In figuur 6 is het verloop van deintegrale kosten afhankelijk vande levensduur gegeven. Uit dezefiguur valt af te lezen dat bij eenlevensduur van circa vijftig jaar deontworpen brug uit ZHSB evenduur is als een traditionele ortho-trope stalen kokerliggerbrug. Deverwachte levensduur van de brugin ZHSB bedraagt honderd jaar,waarna deze brug circa 5% goed-koper is. In het vergelijk is geenrekening gehouden met de kostenvan de overlaging in hogesterkte-beton die in 2005 op de huidigestalen Moerdijkbrug aangebrachtwordt (foto 7).C o n c l u s i e sHet is technisch mogelijk en eco-nomisch aantrekkelijk om ZHSBals alternatief voor staal bij ver-keersbruggen met een grote over-spanning (circa 100 m) toe tepassen. Gelet op de huidige prij-zen voor staal en het onderhoudhiervan, zal de aantrekkelijkheidalleen maar toenemen.Het grootste nadeel van het alter-natief ZHSB is het grotere eigengewicht van de constructie. De4 |Impressie van een seg-ment met einddwarsdra-ger5 |Opengewerkte situatievan de kokerligger3 |Impressie van een seg-ment van de kokerliggerO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2005 7 67brug in ZHSB is namelijk onge-veer 50% zwaarder. Het gemaakteontwerp is echter te optimalise-ren, als geen rekening gehoudenhoeft te worden met enkelegenoemde randvoorwaarden zoalsdie bij het referentieproject zijnaangehouden.Zo zal een doorgaande ligger eenlagere constructiehoogte mogelijkmaken. Hierdoor zal de beno-digde materiaalhoeveelheid afne-men. Hetzelfde is het geval wan-neer twee gescheiden kokerliggerstoegepast zullen worden, zoals bijbetonnen bruggen gebruikelijk is.Bij nieuwbouw kan de grotereslankheid van ZHSB ten opzichtevan staal gunstig uitwerken in dekosten van aanbruggen en taluds.Verder onderzoek naar met namede vermoeiings- en buigtreksterk-te van ZHSB kan leiden tot eenbetere benutting van het materi-aal. Daardoor kunnen een noggrotere gewichtsbesparing enkostenreductie mogelijk zijn. L i t e r a t u u r1. Vergoossen, R.P.H., Ontwerpvan een ophaalbrug in (zeer-)hogesterktebeton voor ver-keersklasse 60. Afstudeerver-slag Technische UniversiteitDelft, december 1999.2. Voorde, A. ten, Kokerligger inzeer-hogesterktebeton. Litera-tuurstudie afstudeeronderzoekTechnische Universiteit Delft,april 2004.3. Voorde, A. ten, Kokerligger inzeer-hogesterktebeton. Afstu-deerverslag Technische Univer-siteit Delft, november 2004.4. Walraven, J.C., Galjaard, J.C.,Voorgespannen beton. Beton-praktijkreeks 3, StichtingBetonPrisma, 1997.5. Kaptijn, N., Toekomstige ont-wikkelingen van zeer-hoge-sterktebeton. Cement 2002 nr. 2.6. Braam, C.R., N. Kaptijn,P. Buitelaar, Hogesterktebetonals brugdekoverlaging. Cement2003 nr. 1.7. Documents scientifiques ettechniques: B?tons fibr?s ?ultra hautes performances -Recomandations provisoirs.Association Fran?aise deG?nie Civil, januari 2002.6 |Integrale kosten van deMoerdijkbrug in ZHSBten opzichte van staal657585951051151251 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101referentieperiode (jaren)integralekosten(mlnEuro)staalZHSB7 |De stalen Moerdijkbrugdiende als referentievoor dit afstudeerpro-ject. De luchtfoto toontde huidige herstelwerk-zaamheden, waar eenoverlaging van zeer-hogesterktebeton wordtaangebracht om delevensduur van de stalenrijvloeren te verlengenfoto: Aeroview DickSellenraad