Modulaire bruggen in UHSB 62 009 66 De voornaamste reden om een modulaire brug te ontwikkelen, is de steeds groter wordende vraag naar een vervanging voor de bestaande, veelal houten, voetgangers- en fietsersbruggen. De verwachting is dat met het hoogwaardige vezelversterkte beton zeer slanke constructies kunnen worden gemaakt, waarbij met het gunstige onderhoudsarme gedrag op langere termijn kostenbesparingen kunnen worden behaald. Modulair houdt in dit geval in dat verscheidene geprefabri- ceerde standaard brugelementen (moten) in lengterichting aan elkaar kunnen worden gekoppeld tot de gewenste overspan- Modulaire bruggen in UHSB 1 Alternatief voor voetgangers-, fietsers- en autobruggen Door de toenemende behoefte aan slanke en open constructies wordt er steeds meer gezocht naar alternatieve materiaaltoepassingen. Eén van de belangrijkste alternatieven op het gebied van betonconstructies is het toepassen van vezelversterkte hoge-, zeer hoge- of ultra-hogesterktebeton. Om op deze behoefte in te spelen heeft het FDN Engineering BV een concept ontwikkeld voor modulaire bruggen in vezelversterkt ultra-hogesterktebeton (UHSB). Er zijn twee aparte onderzoeken gedaan: een variant voor voetgangers en fietsers en een variant voor (auto)verkeer. Modulaire bruggen in UHSB 62 009 67 Tijdens het onderzoek is uitgegaan van een brug die voetgan- gers- en fietsersverkeer in twee richtingen kan huisvesten en ongeveer 10 m moet kunnen overspannen. Aan de hand hiervan is de interne breedte van de brug vastgesteld op 3,5 m en de mootlengte op 1,7 m. De overspanning is dus met zes moten te maken. Uit berekeningen met het eindige-elementen- pakket ESA PT is gebleken dat in dit geval een dekdikte van 90 mm kan worden behaald. De leuning bestaat in dit geval uit staven van 150 x 150 mm en er zijn 4 voorspanstrengen met een totale voorspankracht van ongeveer 800 kN nodig. Door het optimale gebruik van de meewerkende leuningen kan het dek zeer dun worden uitgevoerd. Er is echter een aantal verdikkingen in het dek noodzakelijk om de voorspanning te kunnen opnemen. Ter plaatse van de aansluiting leuning-dek zijn deze verdikkingen bovendien nodig in verband met de momenten die in de aansluiting kunnen ontstaan door voet- gangersbelastingen op de leuning. Deze verdikkingen zijn gecombineerd door de voorspanning vlakbij de aansluiting leuning-dek aan te brengen (fig. 3). Uiteindelijk is besloten de afmetingen van de brug aan te passen, zodat het product breder inzetbaar en het t ransport zo eenvoudig en efficiënt mogelijk wordt. De meeste voetgan- gers- en fietsersbruggen in Nederland overspannen g emid- deld 15 m. Op dit moment is de mootlengte vastgeste ld op bruggen in UHSB ir. Bart van den Broek en ir. Tjibbe de Vries 1) FDN Engineering BV, Amsterdam dr.ir. Cor van der Veen TU Delft, fac. CiTG 1 ) Dit artikel is gebaseerd op twee afstudeeronderzoeken verricht aan de TU Delft. Afgezien van de auteurs hadden prof.dr.ir. Joost Walraven (voorzitter, TU Delft), dr.ing. Arie Romeijn (TU Delft), ir. Lambert Houben (TU Delft) en ir. Dilshan Tirimanna (FDN Engineering BV) zitting in de afstudeercommissie. ning. Het koppelen gebeurt met behulp van plakvoegen en voorspankabels. Een groot voordeel van het modulair bouwen is dat met één standaard element verschillende overspanningen kunnen worden gecreëerd. Tevens is het door het in lengterich- ting met elkaar verbinden van de elementen mogelijk de leuning constructief mee te laten werken. Deze worden daarom ook in één stuk met de dekconstructie meegegoten. Doordat ultra-hogesterktebeton (UHSB) wordt toegepast is er door de goede eigenschappen geen aparte slijtlaag op het brugdek meer vereist. Na het achter elkaar plaatsen en voorspannen van de moten is de brug dus al 'af ' en zijn er geen extra handelingen meer nodig (zoals de leuningen plaatsen of een slijtlaag aanbrengen). Onderzoek Twee afstudeerders aan de TU Delft [1,2] hebben achtereenvol- gens onderzoek gedaan naar de mogelijkheden voor en het ontwerp van een voetgangers- en fietsersvariant en een autova- riant. De gehanteerde verkeersbelastingen zijn voor beide vari- anten conform de nieuwe norm NEN 6706, zoals omschreven in de ROBK 6 (Richtlijnen voor het Ontwerpen van Betonnen Kunstwerken). In beide gevallen is voor het ontwerp uitgegaan van een staalvezelversterkt beton B200 (C170/200). In dit beton is geen passieve wapening in de vorm van staven en netten aanwezig. De materiaaleigenschappen, sterktes en bijbehorende rekenwaarden zijn bepaald aan de hand van de Franse aanbeve- ling voor vezelversterkt UHSB. Door het huidig ontbreken van een nationale norm voor constructies in UHSB wordt deze aanbeveling geschikt geacht. Varianten Het idee voor de modulaire brug is ontstaan als alternatief voor de huidige voetgangers- en fietsersbruggen. Het eerste onder- zoek richtte zich hier dan ook op. Voetgangers- en fietsersbruggen Verschillende varianten, waaronder een drietal plaatliggers, een vierendeelligger en een vakwerkligger zijn met elkaar vergele- ken (fig. 2). De laatste twee varianten bleken het meest geschikt, omdat hierbij optimaal gebruik wordt gemaakt van de meewerkende leuningen. Dit is direct terug te zien in de kosten door een vermindering van het benodigde betonvolume en de benodigde voorspanning. 1Impressie van de mogelijkheden van modulaire bruggen van vezelversterkt ultra-hogesterktebeton 2Verschillende onderzochte varianten van de modulaire brug 3Principe modulaire fabricage 2 3 Modulaire bruggen in UHSB 62 009 68 4 brug een stuk breder geworden dan in het begin was aange- nomen. Maar de leuning kan slank worden uitgevoerd volgens dezelfde ontwerpvoorwaarden als bij de voet gan- gers- en fietsersbrug. Tijdens het onderzoek is uitgegaan van een autobrug die autover- keer in twee richtingen kan huisvesten en ongeveer 18 m moet kunnen overspannen. Aan de hand hiervan is de inter ne breedte van de brug vastgesteld op 9,7 m (inclusief geleide railconstructies) en de mootlengte op 3,0 m. De overspanning is dus m et zes moten te maken. Ook hier is gebruikgemaakt van het eindig e-elementen pakket ESA. De benodigde dekdikte is in dit geval 1 75 mm. Dankzij de grotere dekdikte zijn de verdikkingen in het dek bij de aansluiting leuning-dek in dit geval niet nodig. De verdik- kingen voor het huisvesten van de voorspanning zijn echter groter en meer naar het midden van de doorsnede verschoven. Beide varianten zijn te realiseren met een kostprijs van ? 2000,- per vierkante meter brugdek. Materiaal Het B200 beton dankt zijn goede eigenschappen aan zijn meng- selsamenstelling. Het betonmengsel wordt zo homogeen moge- lijk gemaakt door de maximale grootte van de toeslagkorrel klein te houden, omdat grote korrels voor grote spanningscon- centraties zorgen. Conventionele betonmengsels hebben een maximale diameter van de toeslagkorrel ( D m) van ongeveer 32 mm; voor het B200 betonmengsel ligt dit rond de 1 mm. De pakkingsdichtheid van de toeslagkorrels en de fillers wordt zo groot mogelijk gemaakt door het toepassen van een disconti- nue zeefkromme, om het korrelpakket maximaal te kunnen benutten (fig. 4). Na hydratatie moet geen vrij water overblijven. Dit water leidt immers tot poriën en zoekt bovendien een uitweg naar buiten, waardoor interne spanningen in het beton ontstaan. Het is beter om ervoor te zorgen dat er na hydratatie cement over- blijft, omdat deze cementkorrels nog als fillers kunnen dienen. Conventionele betonmengsels hebben een water-cementfactor van ongeveer 0,4. Voor het B200 mengsel ligt dit rond de 0,2 of lager. Een nadeel hiervan is echter dat er strengere eisen moeten worden gesteld aan de exacte waarde van de water- cementfactor, omdat het variatiegebied van de druksterkte bij deze lage waarden veel groter is. De microstructuur van het beton kan worden verbeterd door de verharding van het beton onder bepaalde omstandigheden te laten plaatsvinden, bijvoorbeeld bij een verhoogde tempera- tuur of onder druk. 3,0 meter, zodat met maximaal vijf moten overspanni ngen tot 15,0 m kunnen worden behaald. De benodigde dekdikte is in dit geval 100 mm. Autobrug In navolging hiervan wilde FDN Engineering BV (Func tional Design Netherlands) het concept van de modulaire br ug uitbrei- den met het ontwerp van een modulaire autobrug. Het tweede onderzoek had als doel deze variant te onderzoeken. Er is gepro- beerd de vormgeving zoveel mogelijk te laten aanslu iten op die van de voetgangers- en fietsersbrug, zodat beiden a ls één nieuw product kunnen worden gepresenteerd. Via een globaa l ontwerp en een voorontwerp is naar een detailontwerp toegew erkt. In het globaal ontwerp is, om een eerste vorm van de brug te krijgen, een aantal optimale afmetingen voor de modulaire brug vastgesteld. Dit aan de hand van de geldende uitgangs- punten en de randvoorwaarden die volgen uit de Wegenver- keerswet en het Handboek Wegontwerp. In het voorontwerp zijn vervolgens, aan de hand van berekeningen, de dekdikte, de benodigde hoeveelheid voorspanning, het te gebruiken voor- spansysteem en de afmetingen van de leuning vastgesteld. In het detailontwerp zou vervolgens de verdere detaillering van de brug worden uitgewerkt. In het ontwerp is de leuning als constructief eleme nt in de krachtsverdeling meegenomen. Hierdoor kon het brugd ek zeer slank en met minimale hoeveelheid voorspanwapening worden uitgevoerd. Echter, indien de brugleuning zou worde n beschadigd door een aanrijding zou dit kunnen leiden tot insto rten van de brug. Er zijn drie mogelijkheden om dit instorten t e voorkomen: a voorkomen dat de leuning wordt aangereden met een geleide constructie; b leuning zeer zwaar uitvoeren om aanrijding te doorstaan; c brug dimensioneren zonder de leuning tot de hoofddraag- constructie te rekenen. In verband met het beoogde open en slanke karakter van de brug waren geleiderailconstructies aanvankelijk ong ewenst. Toch is ervoor gekozen, afwijkend van de uitgangspu nten, geleiderailconstructies toe te passen (optie a). Hi erdoor is de Modulaire bruggen in UHSB 62 009 69 5 Hierin is de uiterst opneembare dwarskracht gelijk aan: Vu = V Rb + V a + V f [N] V Rb is het aandeel van het beton, V f het aandeel van de vezels en V a het aandeel van de aanwezige wapening. Het wapeningsaan- deel is bij de afwezigheid van passieve wapening in de vorm van staven en netten gelijk aan nul. Het beton- en vezelaandeel wordt bepaald volgens: V Rb = 1 __ E ? 0,21 ____ b ? 3  __f cj ? b 0 ? z [N] Rb = V Rb _____ b0 ? d = 1 __ E ? 0,21 ____ b ? ? 3  __f cj ? 0,9 [N/mm 2 ] V f = b 0 ? z ? p _________ bf ? tan u [N] f = V f _____ b0 ? d = 0,9 ? p _________ bf ? tan u [N/mm 2 ] met:b 0 = de breedte van de betondoorsnede d = de hoogte van de betondoorsnede E ? b = een veiligheidsfactor met een waarde van 1,5. Deze factor wordt toegepast voor de onzekerheid die ontstaat door de extrapolatie van formules voor hogeresterktebeton f cj = is de karakteristieke kubusdruksterkte van het beton z = is de geschatte hoogte waarover de vezels effectief meewerken p = de resttreksterkte van de doorsnede bf = een veiligheidsfactor met een waarde van 1,3 u = de hoek van de drukdiagonalen. De minimale waarde van 30° wordt voorgeschreven Een Japanse aanbeveling beschrijft ongeveer dezelfde benade- ring voor de schuifsterkte. Deze aanbeveling neemt echter als extra factor nog de meewerking van de eventueel aanwezige voorspanning mee. Deze waarde is afhankelijk van de hoek die de voorspankabels maken met de lengteas van de brug. Vanwege het modulaire karakter van de brug kan de voorspan- ning alleen lineair worden aangebracht. Een parabolisch verloop zou immers meerdere verschillende elementen verei- sen. Het aandeel in de belastingreductie van de voorspanning is daardoor gelijk aan nul. In het geval van de modulaire brug is volgens zowel de Franse als de Japanse methode het aandeel van de vezels meer dan vier keer groter dan het aandeel van het beton. De schuifsterkte van Omdat een verhoging van de sterkte van het beton tot een brosser gedrag leidt, moeten vezels worden toegevoegd om te zorgen voor voldoende ductiliteit (taaiheid/nascheursterkte). Echter, door de lage water-cementfactor en de aanwezige vezels wordt het mengsel slechter verwerkbaar. Hierdoor is het nodig om superplastificeerders te gebruiken om het beton zelfver- dichtend te maken. Het materiaal is door de lage permeabiliteit zeer goed bestand tegen indringing van schadelijke stoffen zoals chloriden en dooizouten. Hierdoor is het materiaal zeer duurzaam en vrijwel onderhoudsvrij. Tevens is er door de hogere sterkte voor dezelfde toepassing veel minder materiaal nodig (een factor 5 á 6), wat een besparing van grondstoffen oplevert en voor een lagere CO 2-uitstoot zorgt. Berekening Bij beide onderzoeken zijn alle doorsnedeberekeningen gemaakt met het programma ESA (fig. 5). Vervolgens is de uitvoer gecontroleerd aan de hand van handberekeningen. De materiaaleigenschappen, sterktes en bijbehorende rekenwaar- den zijn bepaald aan de hand van de Franse aanbeveling voor vezelversterkt UHSB [3]. De rekenwaardes van de druk- en (buig)treksterktes worden in de Franse aanbeveling ongeveer op dezelfde manier bepaald als in de NEN-normen en Eurocodes, echter er wordt voor de materiaalfactor 1,3 aangehouden. De hogere sterkte van het beton zorgt hier logischerwijs voor hogere waarden. Bij de bepaling van de afschuifsterkte wordt in de aanbeveling echter duidelijk rekening gehouden met de aanwezigheid van de vezels. Deze dragen actief bij aan de schuifsterkte. De schuifsterkte wordt bepaald aan de hand van de volgende formule: Rb = V u _____ b0 ? d [N/mm 2 ] 4Interne krachtsafdracht van beton bij dichte en bij open pakking 5Ingevoerd eindige-elementenmodel van de modulaire brug. Modulaire bruggen in UHSB 62 009 70 6 7 ? ter plaatse van de voorspanankers is er, met betrekking tot de inleiding van de voorspankrachten, getoetst op spli jtkrachten; ? de maatgevende voegen zijn getoetst op afschuiving en een garantie van de duurzaamheid; ? er is een dynamische analyse, met betrekking tot het trilge- drag, gemaakt van de brug als geheel. Ontwerp Voor de modulaire bruggen is een aantal ontwerpen gemaakt door de architect Chris Bosse, onder andere bekend door zijn ontwerp van het Olympisch zwembad 'The Watercube' in Peking. Twee van deze ontwerpen genaamd de 'Bosse Bridge' en de 'Bionic Bridge', benadrukken de mogelijkheden van het gebruik van UHSB, elk op eigen wijze. Bij de Bosse Bridge zijn de leuningen slanke vakwerkconstruc- ties en hierdoor werken zij zeer goed mee in de krachtsaf- dracht. Hierdoor is het ontwerp uiterst open en slank (fig. 6). Bij de Bionic Bridge zijn de leuningen wat zwaarder uitgevoerd. Dit is nodig omdat zij door hun kronkelende verloop minder gunstig meewerken in de krachtsafdracht. Het ontwerp is echter bijzonder door de futuristische vormgeving (fig. 7). Het plan is om de brug uiteindelijk in beide uitvoeringen lever- baar te maken. Ten slotte Het gebruik van UHSB en de bijbehorende voordelen komen meer tot hun recht bij toepassing van de voetgangers- en fiet- sersbrug dan bij de autobrug. In het laatste geval worden, door de combinatie van de zware verkeersbelastingen volgens de nieuwe norm en het gebruik van lineair georiënteerde voor- spanning, de afmetingen van het brugdek alsnog erg groot. Een oplossing voor dit probleem is het gebruik van kokerlig- gers in UHSB. In dat geval kunnen enorme besparingen op de betonvolumes worden behaald. Echter, dit is vanaf de buiten- kant niet waarneembaar en de mogelijkheden van het gebruik van UHSB met betrekking tot openheid en slankheid zijn daar- door niet merkbaar. FDN Engineering BV is momenteel bezig met een pilotproject voor de modulaire voetgangers- en fietsersbrug. Een aantal detailcontroles wordt nog uitgevoerd, waaronder het controle- ren van het niet-lineaire gedrag van de meewerkende leunin- gen met betrekking tot knik en plooi. De bruggen kunnen volledig Design&Construct worden geleverd. ) het UHSB is dus vijf keer groter dan dat van een conventioneel beton. Hiermee is ook de grootste winst te behalen in het ontwerp van de brug. De optredende momenten in lengterich- ting van de brug worden 'opgenomen' door de voorspanning, de optredende momenten in de dwarsrichting moeten echter worden opgenomen door het brugdek zelf. Door de grotere schuifsterkte in combinatie met een grotere buigtreksterkte is dus de enorme winst op de dekdikte te behalen. Uiteindelijk is met de waarden gerekend uit tabel 1. Tabel 1 Eigenschappen van het beschouwde ultra-hogesterktebeton eigenschap waarde rekenwaarde eenheid gewicht 2500 2500 kg/m 3 druksterkte 200 110 N/mm 2 buigtreksterkte 45 15 N/mm 2 treksterkte 10 5 N/mm 2 schuifsterkte - 8 N/mm 2 elasticiteitsmodulus - 60 000 N/mm 2 Na de ontwerpberekeningen zijn nog enkele detailberekenin- gen toegepast, onder meer: ? de brug is getoetst op maatgevende belastingcombinaties met wind-, sneeuw- en temperatuursinvloeden; ? de voorspanverliezen zijn bepaald, rekening houdend met krimp- en kruipeffecten; I L I T E R AT U U R 1Vries, T. de, 'Modulaire brug in vezelversterkt hogesterktebeton', 2008 2Broek, B. van den, 'Modulaire autobrug in vezelversterkt ultra-hogesterktebe- ton', 2009 3AFGC / SETRA, 'Ultra High Performance Fibre-Reinforced Concretes: Interim Recommendations', 2002 6'Bosse'-ontwerp7'Bionic'-ontwerp