? bruggenbouw ? algemeen ontwerp?ir.D.W.Biiderbeek, Ballast Nedam Engineering, AmstelveenIn 1997 zal PrlnceEdward Island, gelegen in het Noordoosten van Canada, door middelvaneen ongeveer 13 kilometer lange brug verbonden zijn met New Brunswick. Daarmeelostde regeringvan Canada de meerdan honderdjaaroude belofte om heteilandte verbin-den met het vasteland eindelijk in.Voor de brug maakt Ballast Nedam International, ??n van de vier deelnemers inStraitCrossing Joint Venture, gebruikvaneen beproefd concept. De schaal van de Northumber-land StraitBridge maakt echter duidelijk dat er opnieuw grenzen zijn verlegd bij het ont-werpen en uitvoeren van geprefabriceerde betonnen bruggen.In dit artikel zal In het algemeen aandacht worden besteed aan het ontwerp. In hetvolgen-de nummervan Cementvolgteen beschrijvingvan de prefabricagevan debrugonderdelenen de uitvoering.PRINCEEDWARDISLANDBRIDGE (I)ALGEMEEN ONTWERP EN ONTWERPBEREKENINGENHetplan om Prince Edwardlsland (PEl), gele-gen in de Laurens Baai, zuid-oost Canada(fig. 1), te verbinden met het vasteland vande provincie New Brunswick dateert reedsvan de vorige eeuw. De toezegging voor eenvaste oeververbindingwerd namelijkgedaanten tijde van de toetreding van hettoenmali-ge onafhankelijke eiland tot de staat Cana-da. Echter, tot op de dag van vandaag wordtde verbinding over de meerdan 13 kilometerbrede Northumberland Strait onderhoudendoor veerdiensten.In de korte maar warme zomer is de verbin-ding zeer druk. Circa 1 miljoen toeristen be-zoeken, veelal per auto, het eiland dat onge-veer 120 000 inwoners heeft. Lange wacht"tijden zijn dan geen uitzondering. Gedurendede strenge winters ondervinden de veerbo-Q) Situatie van Prinee Edward Is/and en de brugverbinding46ten veel hindervan drijfijs. Hierdoor wordt deverbinding onbetrouwbaar, ondanks hetfeitdat de veerboten als ijsbrekers zijn uitgerust.In dejarenzestig werd een ontwerp voor eenvaste verbinding gemaakt en werden zelfsbouwactiviteiten gestart, doch na korte tijdweer gestopt. De restanten van wegen enviaducten zijn aan de New Brunswick-zijdenog zichtbaar.In de jaren tachtig werd het project opnieuwopgepakten in 1987 werd een aantal aanne-merscombinaties uitgenodigd voor een'design and construct'-plan inclusief finan-ciering. Ballast Nedam heefthieraan deelge-nomen, zij het in een andere dan de huidigecombinatie.De aanbestedingIn 1992 werden aan een aantal geselecteer-de consortia opnieuw aanbiedingen ge-vraagd, die hebben geresulteerd in hethuidi-ge contract voor het ontwerp, de bouw vande verbinding, alsook de financiering, hetbe-heer en het onderhoud gedurende een pe-riode van 35 jaar.Het consortium waarin Ballast Nedam deel-nam, was nietsuccesvol, echter het winnen"de consortium had een ontwerp dat sterkge?nt was op de uitvoeringsmethode toege-past door Ballast Nedam bij de Westbrugvande Grote-Beltverbinding in Denemarken. Opgrond hiervan werd Ballast Nedam uitgeno-digd om alsnog toe te treden. Veel materieelgebruikt voor de Grote Belt wordt dan ookweer ingezetvoor dit project, onder meer hethefeiland de Buzzard en het hefschip Sva-nen (foto 2).CEMENT1996/1----- TO NEW BRUNSWICK TOPEI ---?':t-'"""""""i::n4;~~nn1 n. ''''~I:'-50 U93 typ.-W- 250 typ. -W- SHIPPINGSPAN -50_ l i M A I N S P A N S I \-APPROACH APPROACHBRIDGES BRIDGES? Verticaal brugalignement@ Horizontaal brugalignement en ligging van de prefab yardHet contract, een 'Built, Operate and Trans-fer'-contract (BOT), vraagt van de aanne-merscombinatie zowel verantwoording tenemen voor het ontwerp, de uitvoering, de fi-nanciering alsook de exploitatie en het on-derhoud van de bruggedurende een periodevan 35 jaar. De directe financiering van hetproject is gerealiseerd door het uitgeven van'Bonds'. De revenuen komen uit een vasteoverheidssubsidie, gebaseerd op dejaarl?k-se subsidie voor de veerverbinding die destaat gedurende een termijn van 35 jaar be-taalt, alsmede uit de opbrengsten van de tol-heffing.De aannemerscombinatie genaamd 'StraitCrossing Joint Venture' bestaat uit:? Strait Crossinglnc., Canada? Morrison & Knudsen,USA?GTM - Dumez, Frankr?k? Ballast Nedam, NederlandDe detaillering van het ontwerp van de brugwordt verzorgd door de combinatie van inge-nieursbureaus JMSI, bestaande uit:? J.Mulier International? Stanley InternationalCEMENT1996/1NORTHUMBERLANDSTRAITHet ontwerp? AlgemeenHet ontwerp omvat een hooggelegen ge-toogde betonnen kokerliggerbrug met tweer?stroken en vluchtstroken met beperktebreedte.De brug bestaat komende van Prince Ed-ward Island uit de volgende onderdelen (fig.3 en 4):? een aanbrug met ??n overspanning van30 m en ??n van 60 m en vijf overspannin-gen van 93 m;? ??n overgangsoverspanning van 165 m;? 43 hoofdoverspanningen van 250 m;? een overgangsoverspanning van 165 m;? een aanbrug met dertien overspanningenvan 93 m en ??n overspanning van 66 m.De totale lengte bedraagt derhalve bijna 13kilometer.De aanbruggen beslaan de locaties met wa-terdieptes tot 10 m, dehoofdoverspannin-gen overbruggen het gedeelte met water-@ De hefcapaciteit van de Svanen moestworden verhoogd naar 8200 ton. Na de om-bouw heeft hetschip een hoogte van 102 mprefab yarddieptes van meer dan 10 m tot een maxi-mum van ongeveer 30 m. De aanbruggenworden met behulp van een montageliggeropgebouwd uit relatief korte, gelijmde, ge-prefabriceerde elementen (fig. 5).Dehoofdoverspanningen worden opge-bouwd door het plaatsen van 192,5 m langegeprefabriceerde, aan weerszijden uitkra-gende liggers en het inhangen van een ge-prefabriceerde kokerligger (fig. 6).In de brug is ??n scheepvaartoverspanningopgenomen met een vrije doorvaart van 173m breed en 49 m hoog, uitgerust met naviga-tievoorzieningen. Het brugdek ligt in dezeoverspanning op 59 m boven de zeespiegel.Voor hetoverige, grootste deel van de hoofd-overspanningen ligt het brugdek op 40,BOmhoogte boven de zeespiegel. De maximum-helling in het alignement van de brug be-draagt circa 2,5%.47? ?bruggenbouw ? constructief ontwerp ? betontechnologieThe marine span consists of three large componentswhich are fabricated in Borden, PEl and assembied(numbered accordingly) by the marine erectionvessel SVANEN.The typical approach spanconsists of3Selements& segments whicb are fahricatedin Bayfield, NB andassembled with thelaunching truss.The pier base aod shearkeys are cast~in~place at the bridge site.? Prefab elementen aanbruggenMam GirderPier Base Foundation(Diameter 22m)? Prefab elementen hoofdoverspanningDetotale breedte van de kokerliggerbrugbe-draagt 12 m, inclusief de betonnen randbal-ken. De constructiehoogte voor de hoofd"overspanningen varieert van 14 m boven deP?lers tot 4,5 min het midden van de over-spanning. Voor de aanbruggen z?n deze ma-ten respectievel?k 5,10 m en 3,00 m.De op staal gefundeerde brugp?lers bestaanuit ronde, kegelvormige, bodemloze voet-constructies voorzien van een vier meterbrede rand, geplaatst in ringvormige sleuvendie in de zachte rots z?n uitgegraven.De top van dep?lervoetconstructie ligtop on-geveer 3 m boven de waterl?n. Op de P?ler-voet wordt een P?lerschacht geplaatst, voor-zien van een kegelvormig ?sschild, dat fun-geert als een ?sbreker. Ditschild past over detop van de p?lervoeten reikttot 4 m onder dewaterlijn. Met een cementmortelvoeg envoorspankabels wordt de p?lerschacht ver-bonden met de p?lervoet.De uitkragende, geprefabriceerde liggers48Pier BaseJIceShield--- Main Girder55m-95mCorbelworden op de P?lers gespannen. In de over-bl?vende openingen worden twee typen in-hangliggers geplaatst. Om de andere over-spanning wordt de inhangligger met in hetwerk te storten voegen vast aan dehoofdlig-ger verbonden. De overige inhangliggersworden vr? op tanden opgelegd. De lengtevan deze liggers bedraagt respectievelijk 52en 60 m. Op deze manier vormen telkenstwee P?lers metde liggers een portaal, terwijltussen twee portalen middels de tandopleg-gingen uitzetvoegen z?n voorzien.Rondom het eiland heeft beperkte scheep-vaart plaats van uiteenlopende typen, afme-tingen en grootte, tot maximaal 35 000 DWT(Dead WeightTonnes). Aangezien heteilandeen vakantiegebied is, doen van t?d tot tijdook cruiseschepen, dus hoge schepen, heteiland aan. Deze schepen vereisen de grotedoorvaarthoogte, terw?l mede door 35 000DWT bulkcarriers de scheepsaanvaringsbe-lasting wordt bepaald.De betonkwaliteit en -samenstellingDe gewapend en voorgespannen betoncon-structies worden vervaardigd met portland-cement vermengd met 7,5 - 8,5% gewichts-procenten silica fume. Voor een aantal ele-menten met grote en dikke afmetingen, zo-als het ijsschild, wordt tevens vliegas toege-voegd, om de cementhoeveelheid te kunnenbeperken en hiermede de warmte-ontwikke-ling en scheurvorming tijdens het verhardente kunnen beperken en te voorkomen. Tabel1 geeft een aantal betontoepassingen weer.Vr?wel al het constructieve beton dient eenluchtgehalte van minimaal 6% te bezitten inverband met vorstbestendigheid.De totale hoeveelheid bindmiddel bedraagtminimaal 450kg/m3 voor het merendeelvan het constructieve prefab beton en 430of 400kg/m3 voor in het werk gestort beton,respectievel?k in den droge en onderwater.Voor het ijsschild is hoge sterkte beton toe"gepast met 500 kg/m3 cement. Enkele be-tonsamenstellingen staan in tabel 2 ver-meid.Voor al het constructieve beton is de vereistesterkteklasse 55 N/mm2, gemeten na 28dagen op cilinders. In de berekeningen isechter uitgegaan van de gO-dagen sterkte,die op 60 N/mm2is gesteld. Uiteraard wordtrekening gehouden met direct optredendebelastingssituaties, zoals het ontkistings-stadium, en tijdel?ke oplegsituaties, waarinde vereiste sterkte nogniet is bereikt.Voor diverse onderdelen is de temperatuur-ontwikkeling in het jonge beton, afhankel?kvan de zomer- en wintersituaties, gecontro-leerd. Een en ander heeft geleid tot isolatievan de bekisting in de winter en het koelenvan het beton vooral in de zomersituatie.Naast sterkte-onderzoek is veel onderzoekverricht naar het luchtgehalte van het beton,datten minste 5% dient te bedragen, alsooknaar het pori?noppervlak en de onderlingepori?nafstand.In verband met het zeer koude klimaat iseveneens onderzoek verricht naar de duur-zaamheid ten aanzien van de vries-dooi-weerstand van het beton, afgezet tegen hetgemeten luchtgehalte.B?zondere eisen worden gesteld aan de sl?t-vastheid van de constructie in de zone vanijsbelasting op de P?lers. Dit leidde aanvan-kel?k tot een stalen bekleding van de P?lers.In een later stadium is dit gew?zigd in eentoepassing van hoge sterkte beton voor het?sschild.CEMENT1996/1OntwerpberekeningenHet ontwerp van de brug is gebaseerd op deCanadese normen, onder meer de norm'Ontario Highway Bridge Design Code'.Naast de gebruikel?ke verkeersbelastingenis in het ontwerp in een aantal b?zondere be-lastinggevallen voorzien:? ?sbelasting op de p?lers;? scheepsstootbelasting op de p?lers nab?de scheepvaartopening;? een aanvaringsbelasting met gedeeltel?kbezw?ken van de brug;? windbelasting;? uitvoeringsbelastingen.WapeningDe vloeigrens van wapeningsstaal in Canadais in het algemeen 400 N/mm2? Hoewellas-sen volgens de voorschriften (b?voorbeeldhet lassen van kooien) is toegestaan, dientin dat geval met een gereduceerde doorsne-dete worden gerekend. In veel gevallen is hetwapeningsstaal niet goed lasbaar vanwegehet hoge koolstofgehalte en het hoge kool-stofequivalent. Koolstofgehaltes van 0,3%ofmeerz?n geen uitzonderingen Z?n volgensde code toegestaan.Voorspanstaal heeft, evenals in Europa, eenrepresentatieve waarde van de 0,1%-rek-grens van 1770 N/mm2, doch de maximaalleverbare diameter van strengen bedraagt0,60 in., ofwel een strengdoorsnede van140 mm2 (in Europa is dit 150 mm2 ).IJsbelastingOnderzoek is verricht enerz?ds met betrek-king tot de belastingen ten gevolge van ?S(statisch, dynamisch en lokaal), anderz?dsmet betrekking tot materialen die zowel detotale als de lokale ?sbelasting moeten kun-nen weerstaan. De drukbelastingen spelenvanzelfsprekend een rol, echter minstens zobelangrijk z?n de belastingen uit het ?s,schuivend op en langs de constructie, en deb?behorende duurzaamheidsproblemen.Door het koude klimaat treedt iedere winterijsvorming op in de Northumberland Strait(foto 7). Dit ijs beweegt door stroming enwind in alle windrichtingen. Regelmatig kruithet ijs hetzij tegen de oever van Prince Ed-ward Island, hetzij tegen de zuidel?ke oeveraan de New Brunswick-z?de omhoog.Naast hard oppervlakte-?s (sheet ice) kun-nen ook op elkaar geschoven dikke ijspak-ketten (ice ridges) tot op grote diepte voor-komen. Voor oppervlakte-ijs geldt in het alge-meen dat met name de druksterkte relatiefgroot is. De buigtreksterkte is echter geringCD De ijsgang in de Northumberland Strait be?nvloedt zowel het ontwerp als de uitvoering ten opzichte van de druksterkte. ..Tabel 1BetontoepassingenTabel 2BetonsamenstellingenCEMENT1996/1 49? bruggenbouw ? constructief ontwerp ? berekeningVanzelfsprekend is dit afhankel?k van detemperatuuren duurvan een koude periode.De sterkte van de ?spakketten ligt veelalaanzienl?k lagerdoorde relatiefhogeretem-peratuur van het omringende water. Voortshebben oude scheuren en verontreiniging(b?voorbeeld sneeuw) natuurl?k een groteinvloed op de sterkte van het?s.De ?sbelastingin combinatie metde windbe-lasting is maatgevend voor de stabiliteit vande pijlers. Gezien de levensduur van de brugen de lage vereiste overschr?dingskans van1 . 10-7 volgt uit de berekeningen dat voorde hoofdoverspanningen de ijsbelasting ma-ximaal40 MNper P?ler bedraagt. Voor de P?-Iers van de aanbruggen is de maatgevendeuiterste belasting circa 32 MN.Het conische ijsschild moet de drukkrachtenten gevolge van hetoppervlakte-ijs inbelang-rijke mate reduceren door het ?S op buigingte laten breken in plaats van op druk te ver-br?zelen.In voorbereiding is een procedure voor hetmeten van de ijsbelasting op het ?sschild.Het plan is het ?sschild van een P?ler te be-kleden met een aantal panelen, voorzienvan meetcellen die de belasting t?dsafhan-kel?k kunnen meten. Deze panelen, onge-veer ??n vierkante meter groot en enkelecentimeters dik, worden in de betondekkinggeplaatst, dus gel?k met het oppervlak vanhet beton. Door panelen op een aantal plaat-sen opde waterl?n in de omtrek te plaatsen,kan niet alleen de kracht, doch ook de rich-tingvan de krachten en hetverloop van de ?s-belasting over de omtrek worden gemeten.Scheepsstootbelasting op de pijlersDe scheepsstootbelasting op de pijlerswordt probabilistisch benaderd. Voor de P?-Iers direct naast de scheepvaartopeningwordt uitgegaan van een overschr?dings-kans kleiner dan 1 . 10-4gedurende de le-vensduur van 100 jaar. In deze overwegin-gen z?n het aantal schepen, de afmetingenen massa ervan, en de vaarsnelheden in be-schouwing genomen. Voorts is met de over-heid overeengekomen uitte gaan van gecon-troleerde scheepvaart en beperking van desnelheid. Uitgaande van een snelheid van 4m/sec volgt hieruit een kracht van 1560 MNop een starre constructie direct naast devaargeul.Voor de naastgelegen P?lers bedraagt dezebelastingnog 50 MN, waardoor deze situatiemaatgevend is ten opzichte van de ?sbelas-ting. Voor pijlers die verder van de scheep-vaartopening z?n gelegen is de kans op aan-50varing door grotere schepen voldoendeklein. Voor deze p?lers wordt de ?sbelastingmaatgevend.Voor de pijlers naastde scheepvaartopeningwordtgezochtnaareen beschermende kreu-kelzone, waardoor energie wordt vernietigden de belasting op de constructie lagerwordt. Beide P?lers z?n dan met de bestaan-de vorm met sleChts geringe aanpassingenin betonafmetingen uit te voeren. Een deelvan de benodigde grotere stabiliteit wordtverkregen door het toevoegen van meermassa in de p?lervoet.Gedeeltelijk bezwijken van de brugIn het ontwerp is het criterium opgenomen,dat als ??n overspanning ofwel ??n portaaldoor aanvaring bezwijkt, de overige over-spanningen niet noemenswaardig bescha-digd mogen worden. Bedoeld wordt dat vaneen portaal van twee P?lers met bovenbouwde scharnierende inhangligger plotselingbezw?kt ofwel van de tandoplegging schuift.Het dynamisch effect hiervan op het aan-grenzende portaal dient te kunnen wordenopgenomen. Mede op grond van deze belas-ting is de bovenbouw op de P?lers vastge-spannen, zodat een groot deel van het dyna-mische moment rechtstreeks door de pijlerswordt opgenomen.Het dynamisch effect van een vallende in-hangligger is nagenoeg gelijk aan een om-hooggerichte kracht van dezelfde grootte opde aangrenzende, uitkragende ligger. Opgrond van de st?fheidsverhoudingtussen p?-Ier en ligger wordt het grootste deel van hetmoment ten gevolge van dit belastinggevaldoor de P?ler opgenomen. Slechts een kleindeel wordt overgedragen via de bovenbouwnaar de volgende p?ler. De ligger is namel?kslap in vergel?king met de p?ler.WindtunneltestGezien de hoge ligging (hethoogstepuntvanhet brugdek bevindt zich op een hoogte van59 mboven de waterspiegel), de grote over-spanningen van 250 m en de slankheid vande brug in dwarsrichting (een r?dekbreedtevan slechts 12 m) is een windtunnelonder-zoek verricht teneinde de berekende wind-krachten te toetsen. Uit dit onderzoek z?ngeen grote afw?kingen gevonden ten aan-zien van de oorspronkelijke aannamen. Inhet onderzoek z?n niet alleen de invloedenvan wind op het verkeer onderzocht, maarvooral de krachten op de brug met de kansvan optreden. De windgegevens z?n geba"seerd op studies van windsnelheidsmetin-gen nab? de bouwplaats.UitvoeringsbelastingenIn een aantal gevallen leiden uitvoeringssi-tuaties tot een niet te verwaarlozen belas-tinggeval. Dit is b?voorbeeld het geval b? hetplaatsen van de elementen van de boven-bouw. Wanneer na het plaatsen van tweehoofdliggers een inhangligger wordt ge-plaatst, wordt een aanzienl?k moment ge?n-troduceerd in de ligger-pijlerverbinding. Ditmoment wordt deels gecompenseerd doormet behulp van v?zels een horizontalekracht in de voegen tussen inhangligger enhoofdliggers aan te brengen. Met deze v?-zeis is ten aanzien van de P?lers tevens eencorrectie voor temperatuurkrimp en kruipaan te brengen.In een aantal gevallen z?n ook de t?del?keopleggingen van de grote elementen in deprefab fabriek en tijdens hettransport maat-gevend voor de lokale sterkte van het ele-ment.GrondonderzoekDe bodem van de NorthumberlandStrait be"staat uit een laag glaciaal sediment met eendikte vari?rend van 0 tot 10 m, bestaande uitgeconsolideerde klei. Onder dit sedimentbevinden zich kleisteen- en siltsteenlagen,waarvan de bovenste lagen gescheiden wor-den doorzeer vele (tot tien per meter) zeerdunne lagen (enige millimeters) die silt be-vatten.Voor iedere p?ler is een uitgebreid bodemon-derzoek verricht, bestaande uit een vijftalkernboringen met SPT's (Standard Penetra-tion Test). De kernen z?n onderzocht op druk-strekte en afschuiving. Uit het onderzoekbl?kt dat de sterkte aanzienl?k varieert, me-de afhankelijk van het aantal scheidingsla"gen. De vereiste sterkte voor de fundatieskomt overeen meteen minimumsterkte van1,5 N/mm2? Op grond van dit criterium is devereiste ontgravingsdiepte vastgelegd.Tot slotTot zo ver het ontwerp van de 'Strait Cros-sing'. In het volgende nummer van Cementzal aandacht worden besteed aan de afme-tingen en uitvoeringsaspecten van de diver-se constructies. Daarb? zal nader ingegaanworden op:? de fundatie, het ?sschild en de bovenbouwvan de aanbruggen;? de fundatie, het ?sschild en de bovenbouwvan dehoofdoverspanningen;? de vervaardiging, het transport en hetplaatsen van degeprefabriceerde elemen-ten.?CEMENT1996/1