PROEFBELASTING VAN HETMETROVIADUCT STATION GEINir.J.WlBosch, Dienst Openbare Werken, AmsterdamHet metroviaduct Station Gein werd op 2 juni 1986 ten gevolge van een aanrijdingbeschadigd. De schade aan het kunstwerk was zo omvangrijk dat twijfel bestond ofrepareren nog mogelijk en verantwoord zou zijn. Een belangrijk gegeven daarbijwas de constatering dat de voorspanning in de beschadigde zone tot een nietnauwkeurig vast te stellen niveau was verminderd.Berekeningen konden geen uitsluitsel geven over de werkelijke vermindering van degebruikswaarde van het kunstwerk. Dat is de aanleiding geweest tot het uitvoerenvan een proefbelasting.Dit artikel geeft een beknopt overzicht van de uitgevoerde berekeningen, deinrichting van de proefbelasting en enkele verrassende gegevens die met deproefbelasting zijn verkregen.et kunstwerk metroviaductStation Gein bestaat uit eenperronconstuctie, uitgevoerdin gewapend beton, met aan weerszijdedaarvan een viaduct, uitgevoerd in ge-prefabriceerde voorgespannen liggers.De vier overspanningen zijn uitgevoerdals statisch bepaalde constructies en be-staan elk uit vier SDK-liggers die ook indwarsrichting zijn voorgespannen.In figuur 1 zijn een schematisch boven-aanzicht en een dwarsdoorsnede gege-ven.De viaducten zijn gedimensioneerd opde volgende belastingen:1. het eigen gewicht (e.g.) van ligger endraklaag;2. de rustende belasting (r.b.) zoals bal-lastbed en opstorten;3. de nuttige belasting (n.b.) waarbij ver-schillende laststelsels mogelijk zijn. Bijde gegeven overspanningen is het last-stelsel van de grindtrein type 1, met eenmaximale aslast van 165 kN, maatge-vend.Schematisch bovenaanzicht en eendwarsdoorsnede van hetmetroviaductCement 1989 nr. 1 21H1Beschrijving schadeDe schade, veroorzaakt door een hy-draulische kraan op een vrachtwagenbestond uit een groot gat in de onderzij-de van de derde ligger (gerekend vanafde randligger) van het noordelijk gesi-tueerde viaduct ter plaatse van de weste-lijke rijweg. In figuur 1 is de locatie aan-gegeven. Op foto 2 zijn het gat en deblootgelegde voorspanstrengen goed tezien. Bij deze foto moet wel worden op-gemerkt dat alle los zittende stukkenbeton reeds waren verwijderd.2 Gat in onderzijde SDK-ligger metde blootgelegde voorspanstrengenDe voorspanstrengen ter plaatse van hetgat zijn door de relatief grote vervor-mingen, die tijdens de aanrijding zijnopgetreden, plastisch gedeformeerdwaardoor het spanningsniveau in destrengen is verlaagd. Dit is vastgestelddoor het bekloppen van de strengen.Een meer betrouwbare bepaling van hetspanningsniveau bleek helaas niet mo-gelijk omdat onvoldoende vrije lengteter plaatse van de beschadiging beschik-baar was. In totaal zijn twaalf strengenbloot komen te liggen waarbij van vijfstrengen een duidelijke daling van hetspanningsniveau was vast te stellen. Bijde overige bestond het vermoeden dateen vermindering was opgetreden.Gevolgen van de schadeTer vaststelling van de gevolgen van deschade zijn enkele aspecten onderzocht:1. de invloed van de schade op de ligger-stijfheid;2. de betonspanningen in de beschadig-de doorsnede;3. de mogelijkheden van vervanging vande beschadigde ligger.AllMet behulp van een eenvoudig reken-model is de invloed van de schade op deliggerstijfheid vastgesteld. In figuur 3zijn het rekenschema en de grafiek vande relatie tussen de stijfheid van het be-schadigde deel en de totale liggerstijf-heid weergegeven. Uit deze grafiekblijkt dat de totale liggerstijfheid nau-welijks is gewijzigd door de locale be-schadiging. Een herverdeling van de be-lasting op basis van gewijzigde stijfhe-den als gevolg van de schade zal dus nietoptreden.Ad.2Met als uitgangspunt een ongewijzigdeverdeling van de belasting is het moge-lijk de betonspanning in de uiterste ve-zels ter plaatse van de beschadiging tebepalen als functie van de nog aanwezi-ge spanning in de strengen. In figuur 4 isaangegeven wat deze betonspanningenzijn. Daarbij is de spanning in de 12 be-schadigde strengen rekenkundig geva-rieerd van 0 tot 100% van de oorspronke-lijke spanning en zijn de berekende be-tonspanningen betrokken op de bescha-digde (--gereduceerde) doorsnede. Te-vens is de nuttige belasting gereduceerden wel tot maximale aslasten van 120kN. De achtergrond van dit laatste istweeledig; enerzijds bleek al snel dat bijhet vasthouden aan de oorspronkelijkeontwerpbelasting van 165 kN per as eenrestspanning van ongeveer 90% noodza-kelijk zou zijn terwijl anderzijds geengrindtreinen met een dergelijke aslast inhet metrobedrijf worden gebruikt. Welgrindtreinen met aslasten van 120 kN.Uit de grafiek zijn twee conclusies tetrekken:a. Indien de restspanning in de bescha-digde strengen minder dan 30% van deoorspronkelijke spannning bedraagt,wordt de toelaatbare betontrekspann-ning aan de onderzijde onder de vollebelasting (= vsp.+e.g.+r.b.+n.b.) over-schreden.b. Indien de restspanning in de bescha-digde strengen meer dan 45% van deoorspronkelijke spanning bedraagt,wordt de toelaatbare betontrekspan-ning aan de bovenzijde bij afwezigheidvan de nuttige en rustende belastingoverschreden. Dit is het geval bij verwij-dering van het ballastbed indien dit ver-nieuwd zou moeten worden. Bij een ge-faseerde vervanging treedt dit ver-schijnsel niet op.Ad.3De beschadigde ligger vormt te zamenmet drie gelijke liggers het brugdek. Ditbrugdek is in dwarsrichting voorge-spannen met behulp van Dywidagsta-ven. De spankanalen zijn na het spannenmet grout ge?njecteerd. Aangezien hetuitboren van de spankanalen ten behoe-ve van de opnieuw aan te brengendwarsvoorspanning als niet haalbaarwerd beschouwd, betekende vervan-ging van de beschadigde ligger het ver-vangen van het betreffende brugdek.ProefbelastingBij de beschrijving van de gevolgen vande beschadiging is geconstateerd dat, in-dien de toelaatbare nuttige belastingwordt gereduceerd tot een aslast van 120kN, er ten minste 30% restspanning in de22 Cement 1989 nr. 1beschadigde strengen aanwezig moetzijn om te voorkomen dat de toelaatbaretrekspanningen worden overschredenen daarmee dus een vermindering vande verdere gebruikswaarde noodzake-lijk zou zijn. Omdat nauwkeurige vast-stelling van de restspanning niet moge-lijk bleek, en mede gezien de gevolgendie aan de vervanging van de beschadig-de ligger waren verbonden, is beslotentot het uitvoeren van een proefbelasting.De proefbelasting had tot doel te con-troleren of onder invloed van de nuttigebelasting scheurvorming zou optreden.Inrichting van de proefbelastingAls nuttige belasting is een grindtreinmet gecalibreerde aslasten (120 kN) ge-bruikt. Deze trein heeft met verschillen-de snelheden over het viaduct gereden.Het laststelsel ten gevolge van deze treinis in figuur 5 aangegeven.Door op verschillende plaatsen rekstro-ken aan te brengen en tevens de door-buiging te meten, is inzicht verkregen inde verdeling van de belasting over deverschillende liggers, zowel in de be-schadigde doorsnede als ter plaatse vande middendoorsnede.In figuur 6 zijn de locaties van de rek-stroken aangegeven.Het al dan niet optreden van scheuren isvastgesteld door:a. visuele controle;b. controle op consistentie van de geme-ten rekken;controle op eventueel optredendewijziging van de krachtsverdeling.Tijdens de passage van het laststelselheeft een continue registratie van derekken en de doorbuiging met behulpvan een 14-kanaals instrumentatie-re-corder plaatsgevonden. Omdat in totaal24 rekstroken en 1 verplaatsingsopne-mer aanwezig waren is iedere metingtweemaal uitgevoerd. In figuur 7 zijnenkele resultaten van deze registratieweergegeven.Bij deze grafieken zijn de volgendekanttekeningen te maken:- Het begin- en het eindsignaal van deCement 1989 nr. 1 23mering komen niet overeen met het be-gin en het einde van de ligger. In figuur 8zijn de juiste locaties aangegeven (methet begin- en eindsignaal wordt eenelektronisch signaal bedoeld dat tijdensde passage van het laststelsel aan de re-corder is doorgegeven ter markeringvan het begin en einde van de meting).De afstand tussen de genoemde puntenis 19,00 m.- Uit de metingen blijkt dat de stootpla-ten en de zogenaamde buigslappe voegdie de overgang tussen twee brugdek-ken vormt, invloed hebben op het ge-drag van de ligger.- Infiguur 9zijn de gemeten rekken en deinvloedslijn voor net moment voor demiddendoorsnede weergegeven. Aan-gezien beide aan elkaar gerelateerd zijndoor een constante factor moeten degrafieken gelijkvormig zijn. Dit blijkthet geval. De kleine verschillen zij dooronnauwkeurigheden in de meting, re-gistratie en het rekenmodel te verklaren.Enkele registraties van derekmetingenAnalyse van de reslutatenUit geen van de genoemde controles isgebleken dat scheuren onder de geredu-ceerde gebruiksbelasting ter plaatse vande beschadigde doorsnede zijn opgetre-den. Op basis daarvan en een advies overde wijze waarop het gat in de ligger konworden dichtgemaakt, is besloten tevolstaan met het herstellen van de dek-king door het dichten van het gat.De resultaten van de proefbelasting le-verden ook inzichten op omtrent hetwerkelijke gedrag van de brugconstruc-tie. Een nadere analyse van de metingengaf enkele verrassende zaken te zien diein het kader van dit artikel zeker ver-meldenswaard zijn.- De eerste verrassing was de gemetendoorbuiging: ongeveer een derde van dein eerste instantie berekende waarde.Een afwijking in deze orde is niet te ver-klaren uit een hogere elasticiteitsmodu-lus en moest daarom een andere oorzaakhebben. De constructie zoals deze wasuitgevoerd bleek de aanleiding te zijn.De doorbuiging werd gemeten aan derandligger die is voorzien van opstortenten behoeve van een kabel- en leiding-goot. Door de beugels die de opstortenaan het dek verbinden is een samenwer-kende doorsnede ontstaan die ongeveerdrie maal zo stijf is als de oorspronkelij-ke doorsnede. Daarmee was de geringe-re doorbuiging verklaard.- De invloed van de opstorten bleek nietalleen in de gemeten doorbuiging totuiting te komen. Ook de ligging van deneutrale lijn volgens de rekstrookme-tingen vertoonde een fors verschil metde berekende ligging. In figuur 10 is demiddendoorsnede met verschillendehoofd-traagheidsassen weergegevenwaaruit de verschillen duidelijk wor-den.- Door de onderlinge verschillen in stij f-heid is ook de verdeling van de nuttigebelasting over de vier liggers anders danin de oorspronkelijke berekening was24 Cement 1989 nr. 17aangenomen. In figuur 11 is voor zowelde middendoorsnede als voor de be-schadigde doorsnede de verdeling aan-gegeven.- Ondanks de verschillende snelhedenwaarmee de trein over het viaduct is ge-reden is geen verschil in de geregistreer-de rekken geconstateerd. De invloedvan het dynamische karakter van de be-lasting is bij dit viaduct blijkbaar te ver-waarlozen. Een en ander is te verklarenuit de aanwezigheid van een ballastbeden de detaillering van de voegen tussende verschillende brugdekken (fig. 7).Op basis van de resultaten van de metin-gen is bij dit kunstwerk vastgesteld dathet werkelijke gedrag op een aantalpunten verschilt van het op basis van be-rekeningen voorspelde gedrag.Er zijn echter alleen verschillen in gun-stige zin vastgesteld. De beperkte addi-tionele informatie die met de proefbe-lasting over het gedrag van de construc-tie is verkregen vormt geen aanleidingover te gaan tot herziening van bereke-ningsmethodieken. Wel is vastgestelddat zaken als bijvoorbeeld opstorten eenrelatief grote invloed kunnen hebben ophet gedrag van een constructie.Cement 1989 nr. 1 25
Reacties