C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wNederland is een waterland. Eengroot aantal bruggen maakt als oe-ververbinding deel uit van onshoofdwegennet. Hiervan zijn circatachtig bruggen, vast en beweeg-baar, voorzien van een stalen or-thotrope rijvloerconstructie (foto1). De rijvloer, waarop zich de slijt-laag bevindt waarover het wegver-keer rijdt, wordt ondersteund dooreen serie dwarsdragers die verbon-den zijn aan de in lengterichtingondersteunde hoofdliggers. Omde stijfheid van de rijvloer te ver-groten zijn langsverstijvers eron-der aangebracht. Deze ten opzich-te van beton relatief lichte rijvloer-constructie is door de vorm metlangsverstijvers wereldwijd nogsteeds populair.De gemiddelde ontwerplevens-duur ligt bij vaste stalen bruggenop 100 jaar en bij beweegbarebruggen op circa 50 jaar. Wanneerin een constructiedeel wisselendebelastingen optreden worden dezedetails boven een specifiek span-ningsniveau vermoeid. Bij vol-doende spanningswisselingen vanformaat treedt scheurvorming op(fig. 2). Wanneer de wisselendespanning in de scheur aanwezigblijft, zal deze in lengterichtinggaan groeien. Scheurvorming ineen vermoeiingsgevoelig detailkan uiteindelijk leiden tot falenvan dat detail bij voldoendescheurgroei.Om alle stalen orthotrope rijvloe-ren in onze hoofdinfrastructuurveilig in stand te houden bij ver-moeiingsbelasting door wegver-keer, is in opdracht van hethoofdkantoor van Rijkswaterstaatdoor de Bouwdienst het project`Problematiek Stalen Rijvloeren'(PSR) gestart. Binnen dit projectzijn voor de in de inleiding ge-noemde aandachtsgebieden goedsamenwerkende werkgroepengevormd.L e v e n s d u u r v e r l e n g e n d eo p l o s s i n g e nDe zwaarst belaste stalen bruggenmet een orthotrope rijvloer krijgenop termijn te maken met vermoei-ingsproblemen. Wann??r ver-moeiingsschade optreedt bij dezebruggen is afhankelijk van de hoe-veelheid en het type verkeer en hetfeit of het een beweegbare of vastebrug betreft. Vaste bruggenhebben over het algemeen een mi-nimale dekplaatdikte van 10 mmmet een circa 60 mm dikke slijt-laag van gietasfalt. Beweegbarebruggen hebben daarentegen mi-nimaal een 12 mm dikke dekplaatmet een epoxyslijtlaag van circa8 mm. De gietasfaltslijtlaag zorgtvoor een grotere spreiding van debelasting, waardoor bij vastebruggen de vermoeiingsschadepas bij een groter aantal voertui-gen zal optreden. De dikte en hetgewicht van de slijtlaag op vasteVersterking met hogesterktebeton beste oplossingLevensduurverlenging vanorthotrope stalen rijvloerenir. P.D. Boersma, ing. N. Kaptijn, ir. G. Nagtegaal, Bouwdienst Rijkswater-staatIn 1997 zijn vermoeiingsscheuren ontdekt in de rijvloer van het beweegbaredeel van de Tweede Van Brienenoordbrug te Rotterdam. Deze schade leidde in1998 tot het vervangen van het val. De Bouwdienst Rijkswaterstaat heeft deoorzaak van het probleem onderzocht en voor alle soortgelijke bruggen inNederland mogelijke toekomstige consequenties in kaart gebracht. Nieuweinspectietechnieken zijn ontwikkeld om de scheuren op te sporen en repara-tietechnieken om ze te herstellen. Verder werden levensduurverlengendeoplossingen bedacht en nieuwe inzichten ontwikkeld voor het ontwerpen vanbruggen om scheurvorming in de toekomst te voorkomen. In dit artikelkomen de inmiddels bereikte resultaten van de werkgroep `Levensduur-verlengende oplossingen' aan de orde. Deze werkgroep heeft de innovatieveoplossing bedacht die recent op de Calandbrug is toegepast.1 | Een orthotrope rijvloerbezit in een bepaalderichting gelijke eigen-schappen. Dit komt doorbijvoorbeeld het gebruikvan langsverstijvers,dwarsdragers en hoofd-liggerscement 2004 456C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wbruggen maken het ook mogelijkom op basis van deze randvoor-waarden een oplossing voor deproblematiek te realiseren. Hetmag duidelijk zijn dat dit binnende slijtlaag van 8 mm op beweeg-bare bruggen moeilijker is.Vaste stalen bruggenVoor zowel vaste als beweegbarebruggen bestaat er een oplossing,waarmee voor de vermoeiings-scheur die kan ontstaan bij detroglasverbinding met de dekplaat(en door de dekplaat heen kangroeien) een verlenging van de le-vensduur kan worden bereikt,maar waarbij geen constructieveingreep noodzakelijk is. Uit ge-constateerde schades en uitge-voerde berekeningen blijkt dat deproblematiek vooral optreedt terplaatse van de rijsporen van dezwaarst belaste rijstroken. Door derijsporen te verleggen met circa60 cm wordt een nieuw deel vande constructie bereden. Hiermeewordt het vermoeiingsprobleemniet opgelost, maar wordt tijd ge-wonnen om tot een definitieve op-lossing te komen. De enige duur-zame oplossing wordt verkregendoor het rijdek zodanig te verster-ken dat optredende vermoeiings-spanningen afdoende worden ge-reduceerd.Nader onderzochte alternatievenzijn: vervangen van de gietasfalt-deklaag door houten panelen, ve-zelversterkte kunststofpanelen,stalen platen of een laag hoge-sterktebeton. Ook kunnen detroggen worden gevuld met poly-urethaan.De effectiviteit van de oplossingenis onderzocht aan de hand vaneindige-elementenmodellen meteen zeer fijn elementennet vanvolume-elementen om de werke-lijkheid zo goed mogelijk tekunnen simuleren (fig. 3). Vanenkele alternatieven zijn serieseenvoudige proefstukken gemaaktbestaande uit een 100 mm bredestalen strook (dekplaatdikte; over-spanning 300 mm) met daaropbeton, hout of staal gelijmd (debeoogde versterking). Daarvanzijn bij het Hechtingsinstituut vande TU Delft het bezwijkdraagver-mogen bepaald en het gedragonder vermoeiingsbelasting bestu-deerd.Beweegbare bruggenEen aantal van deze alternatievenis niet geschikt voor de beweeg-bare brugdekken, vanwege de tegrote massa. Hiervoor wordt danook gezocht naar oplossingen meteen lagere massa, die binnen debestaande geometrie kunnenworden gerealiseerd. Voor nieuw-bouw wordt er over het algemeenvoor gekozen een dikkere dekplaatvan 18 mm toe te passen. Iets der-gelijks zou voor bestaandecement 2004 4 572 | Detailoverzicht van derijdekplaatscheurtrogbeendwarsdragerdekplaattrogverstijverdekplaatvermoeiingsscheur DPS02vermoeiingsscheur DPS013 | Eindige-elementenmodelvan de versterkte con-structie3D EEM simulations:J.P. Pover, BouwdienstRijkswaterstaatC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wbruggen kunnen worden bereiktdoor op het dek staalplaten te ver-lijmen. Deze oplossing is reeds be-proefd, maar er zijn nog een paaraspecten die nader moetenworden onderzocht.Een alternatieve oplossing diebinnen de bestaande geometriekan worden gerealiseerd, is hetvullen van de trogverstijvingen.Hierdoor wordt de dekplaatverend ondersteund, waardoor despanningen ter plaatse van de pro-bleempunten worden verminderd.De uitdaging bij deze oplossingwas het vinden van een materiaalwaarmee de troggen gevuldkonden worden. Het materiaalmoest licht zijn en mocht geenkrimp vertonen. Na onderzoek enpraktijkproeven is deze oplossingeind 2003 toegepast bij de Ketel-brug, waar enkele troggen gevuldzijn met polyurethaan.D e b e s t e o p l o s s i n gDe vervanging van de laag gietas-falt door hogesterktebeton (B 105)geeft ruim voldoende spannings-reductie (fig. 4). Spanningswisse-lingen van 124 MPa (bovenzijdedekplaat t.p.v. de trogbenen)werden gereduceerd tot 28 MPa,een reductie met een factor 4. Devermoeiingslevensduur neemtdan ongeveer toe met een factor43. Daarmee zou het vermoeiings-probleem vrijwel zijn opgelost. Dekosten van deze toepassing zijnvergelijkbaar met die van gietas-falt. De levensduur van deze op-lossing mag enkele tientallenjaren worden geschat. Om allevoor- en nadelen van deze innova-tie goed in beeld te brengen,moest eerst worden uitgezochthoe het hogesterktebeton kanworden vastgezet aan de dekplaatzodat deze volledig met de staal-constructie meewerkt. De verbin-ding kan bijvoorbeeld worden ge-realiseerd met nelsondeuvels(platte `schijven'), perfobondstrips,zwaluwstaartplaten of opgelastewapeningsstaven. Deze verbin-dingsmiddelen zouden zeer fijn-mazig moeten worden aangebrachtcement 2004 4584 |Overzicht diverse EEM-resultaten van verschil-lende levensduurverlen-gende varianten-4,00E+08-3,00E+08-2,00E+08-1,00E+080,00E+001,00E+082,00E+083,00E+080 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8positie [m]spanning[N/m]SX_TOPX (Asphalt 5cm)SX_TOPX (Standard, no layer)SX_TOPX (Concrete, 5cm)SX_TOPX (Steel plate, 5mm)SX_TOPX (CSE without bonding)-4,00E-03-3,50E-03-3,00E-03-2,50E-03-2,00E-03-1,50E-03-1,00E-03-5,00E-040,00E+000 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8positie [m]verticaleverplaatsing[m]UYTOPX (Asphalt, 5cm)UYTOPX (Standard, no layer)UYTOPX (Concrete, 5 cm)UYTOPX (Steel plate, 5mm)UYTOPX (CSE without bonding)2ab5 | Vermoeiingstest van deoverlaging in het labora-torium van TNOC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wom de momentvariatie door wiel-lasten tussen de trogbenen goed tekunnen `volgen'. Dit is kostbaar entijdrovend om aan te brengen. Bo-vendien wordt de krachtsover-dracht van beton naar staal gecon-centreerd in de hechtpunten.Daardoor zou d??r een vermoei-ingsprobleem kunnen wordenge?ntroduceerd.Beter is het de krachtsoverdrachtover het gehele contactvlak te sprei-den. De eenvoudigste manier isdan het beton op het blanke staal testorten. Voor de zware intensieveverkeersbelastingen werd het risicovan onthechting te groot geacht.In de literatuur worden goede re-sultaten gemeld voor (dynami-sche) belastingen wanneer betonwerd gestort op natte epoxylijm.Helaas is deze oplossing in depraktijk niet praktisch, omdatgrote oppervlakken moetenworden behandeld waardoor hetgevaar bestaat dat de lijm voortij-dig verhardt en/of vervuilt.Ook het verlijmen van grote gepre-fabriceerde panelen van hoge-sterktebeton bleek bij kleinscha-lige proeven gunstige resultatenop te leveren. Het blijkt lastig dezeoplossing op te schalen naar prak-tijkomstandigheden, het `vol enzat' verlijmen op een niet-volledigvlak rijdek is hierbij een probleem.Het idee van Rijkswaterstaat omop de dekplaat eerst een specialeslijtlaag aan te brengen, die vooreen goede hechting van het betonaan het staal moet zorgen (gecalci-neerd bauxiet 4/6 mm ingestrooidin 2 mm epoxy), is verder ontwik-keld en toegepast.Op de slijtlaag worden drie lagenwapening ?8-50 aangebracht. Ditdichte net zorgt voor een goede sa-menhang van de dekconstructieen een gelijkmatige opname vanspanningswisselingen. De span-ningswisselingen in de wapeningdoor de lokale wiellasten zijn in deorde van 45 MPa. Afhankelijk vande globale krachtswerking in debrugconstructie onder invloed vande verkeersbelasting kan het nodigzijn de wapening te verzwaren.Het beton (sterkteklasse B 105)bevat ongeveer 70 kg/m3staalve-zels (12 x 0,4 mm). Deze combina-tie van beton en wapening is in dehandel onder de naam Contec Fer-roplan (Contec Aps) en wordt toe-gepast in dunne overlagingen voorzwaarbelaste industrievloeren [1].De dekking is gemiddeld 20 mm.De totale dikte van de versterkingis ongeveer 60 mm.cement 2004 4 596 |Na verwijderen van hetasfalt wordt de tentopgezet7 | Vullen van de dwang-menger met voorge-mengde droge specieC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wTesten van de versterkingVerschillende beproevingen zijnuitgevoerd om de eigenschappenen de robuustheid van het hoge-sterktebeton te testen. In het Ste-vinlaboratotium van de TU Delftzijn onderzoeken gedaan naar ver-schillende materiaaleigenschap-pen (buigtreksterkte, krimp, be-standheid tegen dooizouten,rijpheidsgrafieken, hechting aande slijtlaag).Op oude brugdekdelen van de VanBrienenoordbrug werden proefap-plicaties aangebracht om de maak-baarheid van de versterking tetesten. Hieruit is een proefstukvan ongeveer 2 x 4 m gezaagd, in-clusief troggen en dwarsdrager.Daarop zijn bij TNO Bouw ver-moeiingsproeven uitgevoerd (foto5). Het belastingsspectrum vanvijftig jaar verkeer op de Moerdijk-brug is gesimuleerd in de ver-moeiingsproef. De hogesterktebe-ton-overlaging bleek daarna nogscheurvrij te zijn. Onthechtingwerd niet geconstateerd.P i l o t p r o j e c t C a l a n d b r u gVoordat wordt overgegaan tot toe-passingen op grotere schaal iseerst een proefproject uitgevoerdom ervaring op te doen op prak-tijkschaal. In mei 2003 is op eenvan de aanbruggen van de Caland-brug (N15 Europoort) in een rij-richting door Bruil Ede het asfaltvervangen door hogesterktebeton.Het betreft een vak van circa 7 mbreed en 80 m lang. Doel van ditproject was de levensduur van ditspecifieke brugdeel ten aanzienvan vermoeiing circa 40 jaar te ver-lengen. Hiermee was het mogelijkvan de uitvoeringsaspecten teleren in het licht van de toekom-stige schaalvergroting.De werkzaamheden omvattenonder meer:? verwijderen van de oude asfalt-slijtlaag;? opsporen en repareren eventu-ele vermoeiingsscheuren;? aanbrengen van een epoxyslijt-laag op het kale dek;? aanbrengen wapening en beton;? afwerken (schuren en polijsten)en nabehandelen (natte jute tothet moment van ingebruik-name, daarna een week nathou-den met sproeislangen);? stralen oppervlak om voldoendestroefheid te verkrijgen en aan-brengen wegmarkering.De werkzaamheden moestenonder geconditioneerde omstan-digheden qua temperatuur envocht plaatshebben (in een tent,foto 6) en binnen een zo kort mo-gelijk tijdsbestek (vijf dagen). Debetonspecie is op het werkgemaakt met een mobiele dwang-menger. De specie is droog voor-gemengd in `big bags' aangevoerdvanuit Denemarken (foto 7). Dewapening is samengesteld uittwee lagen bouwstaalnetten die inde tweede laag in elkaar wordengepast, waardoor drie lagen wape-ning ontstaan (foto 8). Langs deranden van de overlaging is dezemet hoekstalen met opgelastestekken vastgezet aan het stalenrijdek. Dit is nodig om het opkrul-len van de randen door belastin-gen en vocht- en temperatuurgra-di?nten te voorkomen.De betonspecie is met kleineshovels in het werk gereden enmet een graafmachine gespreid(foto 9, 10). De overlaging is afge-reid en verdicht met een dubbeletrilbalk (foto 11). Om een dichteoppervlaktestructuur te krijgen ishet oppervlak met vlindermachi-nes geschuurd en gepolijst.Resultaten proefprojectHet bleek goed mogelijk om grotebrugdekoppervlakken te voorzienvan een overlaging. Ondanks delage nachtelijke temperaturen (ca.10 C) was de uitvoeringsplanninghaalbaar.Er is door Waterstaat een uitge-breide evaluatie opgesteld. Aan-dachtspunten voor het bereikenvan de juiste uitvoeringskwaliteitzijn onder meer:? de slijtlaag moet op de vereistemanier worden aangebracht. Dejuiste dikte van de epoxylaag (desplitkorrels `verdrinken' bij t?dik of hechten niet goed bij t?dun); dit heeft slechtere hechtei-genschappen tot gevolg;? de belasting van de wapeningtijdens de uitvoering. Te zwaarmaterieel veroorzaakt ontoelaat-bare vervormingen van het wa-peningsnet. De wapening moetgoed worden vastgelast, zodatdeze goed plaatsvast is en strakop het rijdek ligt;? het beschikbaar hebben van re-servematerieel. Hierdoorkunnen ongewenste stortnaden(met de bijbehorende reini-gingswerkzaamheden) en ver-traging worden voorkomen;? het nauwgezet nabehandelenvan de overlaging. Wanneer ditniet optimaal gebeurt, kunnende krimpscheuren onnodig wijdworden.Krimpscheuren (haaks op de rij-richting) zijn moeilijk te voorko-men. De spanningen door de ver-hardingskrimp zijn zo hoog, datde bijkomende spanningen doorde verkeersbelastingen scheurvor-ming tot gevolg hebben. Decement 2004 4608 | Wapening en randprofie-len zijn aangebracht9 | Met kleine shovels wordtde betonspecie in hetwerk gebrachtC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wscheurwijdte is echter zo gering(ordegrootte 0,05 mm), dat ditgeen corrosiegevaar voor de wape-ning oplevert. Vooraf zijn rekstro-ken aan de onderzijde van destaalconstructie aangebracht.Spanningsmetingen vooraf in deoude situatie (gietasfalt) en ach-teraf (hogesterktebeton-overla-ging) hebben aangetoond dat deberekende spanningsreductie ookwerkelijk optreedt.H o e n u v e r d e r ?Er is inmiddels zoveel vertrouwenin de oplossing, dat de voorberei-dingen zijn gestart voor het verster-ken van grote stalen bruggen. In dezomer van 2005 zullen de Moer-dijkbruggen (A16) en de bruggenbij Hagestein (A27) worden ver-sterkt. Spoedig daarna zullen meerstalen bruggen volgen.Ook betonnen bruggen kunnen opdeze manier worden versterkt. Hetbeton wordt dan rechtstreeks ophet oude beton gestort, dat dooraquajetting eerst goed ruw en reinis gemaakt.Druklagen van oudere balkenvia-ducten zullen vaak niet voldoenaan vermoeiingseisen wanneer bij-voorbeeld extra rijstroken moetenworden aangelegd. Een eerste stelviaducten is in de zomer van 2003versterkt met een ongeveer 70 mmdikke overlaging (viaduct bij Wilpin de A1). In het kader van eenbetere benutting van drukberedenverkeersroutes zullen nog meerviaducten volgen.De te versterken constructiesmoeten worden getoetst op delokale en globale effecten van deversterking; deze is wat zwaarderdan de oude asfaltdeklaag (orde-grootte 20%) en de stijfheid zorgtvoor een andere krachtswerking.Onderzocht zal nog worden hoehet uitvoeringstempo kan wordenopgevoerd door mechanisatie vanhet aanbrengen van het beton. Er isRijkswaterstaat veel aan gelegendat naast deze slimme levensduur-verlengende oplossing de strem-ming voor de weggebruiker tot eenminimum wordt beperkt. Inzet vanslipformpavers om het uitvoerings-proces te versnellen wordt daaromoverwogen.Wereldwijd kampen beheerdersvan stalen bruggen met dezelfdeproblemen. Er is grote belangstel-ling voor de gang van zaken in Ne-derland. Naar verwachting zullenverschillende landen ons voorbeeldvolgen. L i t e r a t u u r1. Braam, C.R., N. Kaptijn, P.Buitelaar, Hogesterktebetonals brugdekoverlaging. Cement2003 nr. 1.2. Boersma, P.D. en F.B.P. deJong, Techniques and Solu-tions for Rehabilitation of Or-thotropic Steel Bridge Decksin the Netherlands. Juni 2003.3. Jong, F.B.P. de, en P.D.Boersma, Lifetime Calcula-tions for Orthotropic SteelBridge Decks.cement 2004 4 6110 | Spreiden van de beton-specie met een graaf-machine11 | Afreien met een dubbeletrilbalkfoto's: Contec Aps enF. Kooijstra, BouwdienstRijkswaterstaat