C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouwcement 2008 4 33In het kader van grootschaligonderhoud aan de NederlandseRijksinfrastructuur zijn door Rijks-waterstaat in 2006 zeven projectenop de markt gebracht onder denaam KOSMOS (KunstwerkenOnderhoud Samen met de MarktOnder Systeemgerichte contractbe-heersing). Als onderdeel van hetproject in het district Noord Hol-land moesten zeven 35 jaar oudeviaducten in de A9 nabij Amster-dam constructief worden beoor-deeld en herberekend. Hoewel dezichtbare schade aan de kunstwer-ken verwaarloosbaar was, bleek eenherbeoordeling van sterkte en ver-moeiinggedrag noodzakelijk. Rede-nen hiervoor waren een mogelijktoekomstige rijstrookindeling enhet voldoen aan nieuwe voorschrif-ten met betrekking tot de verkeers-belastingen en -intensiteiten. Con-form de contracteisen moest eenrestlevensduur van de huidige via-ducten van minimaal vijftien jaarworden aangetoond op basis van deRBBK (Richtlijn voor de Beoorde-ling van Bestaande Kunstwerken),of moest de constructie wordenversterkt, waarbij aan de voorschrif-ten voor nieuwe kunstwerkenmoest worden voldaan.Aangezien het verkeer op de A9 opnormale werkdagen zeer intensiefis, werden strenge eisen gesteldaan de toelaatbare verkeershinder.Om hieraan te kunnen voldoenzijn de werkzaamheden uitgevoerdin de zomervakantieperiode van2007. In een aaneengesloten peri-ode van zes weken werd op basisvan een goed doordachte en gede-tailleerde fasering, 24 uur per daggewerkt aan de versterking van dekunstwerken en aan de vervangingvan asfalt, voegovergangen en weg-meubilair.O n t w e r p a a n p a kDe betreffende viaducten zijn ont-worpen en gebouwd in de jaren'70. Over het algemeen bestaan deviaducten uit gescheiden dekken(??n per rijrichting) en drie tot viervelden per dek. De dekken zijnopgebouwd uit voorgespannenprefab (lambda) liggers en eengewapende (160-180 mm dikke) in-situ druklaag. De druklaag is tevensontworpen om de negatievemomenten ter plaatse van de tus-sensteunpunten op te nemen.De ontwerpaanpak is gebaseerdop vier hoofdprincipes:1. beoordeling van de werkelijkemateriaalsterkte van druklaagen prefab liggers, zodatgebruik kon worden gemaaktvan de toegenomen sterkte;2. uitvoeren van EEM-berekenin-gen (met ESA PT) van de dek-ken om het gedrag van deconstructie onder verkeersbe-lastingen zo realistisch moge-lijk te modelleren;3. rekening houden met deinvloed van de strikte faseringvan werkzaamheden (fig. 2),o.a. de invloed van verkeers-trillingen op verhardendbeton;4. leveren van een op maatgesneden betonmengselont-werp gebaseerd op proefstor-ten en in-situ testen. Hierbij isnaast verwerkbaarheid en ver-hardingssnelheid van hetmengsel ook gekeken naar debenodigde voorbewerking vande bestaande betonconstructieom de vereiste aanhechtsterkte( 1,5 N/mm2) te halen.Voorgespannen viaducten met gewapend betonnen overlaging versterktTweede jeugd voor35 jaar oude viaductening. R.W. Keesom en ir. M. van Kaam, BAM Infraconsult*)ir. W.J. Bouwmeester-van den Bos en prof.ir. A.Q.C. van der Horst, BAMInfraconsult/TU Delft, fac. CiTGAls onderdeel van het KOSMOS-project zijn zeven 35 jaar oude viaducten in deA9 nabij Amsterdam constructief beoordeeld en herberekend. Drie viaductenhadden voldoende (reserve)capaciteit om onder de gevraagde belastingennog ten minste vijftien jaar te functioneren. Vier viaducten moesten wordenversterkt. Hiervoor is een circa 100 mm dikke gewapend betonnen overlagingtoegepast.*) BAM Infraconsult is op 1-1-2008 ontstaan na samenvoegingvan Delta Marine Consultants en Multiconsult.1 |Typisch viaductKOSMOS-projectC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouw34 cement 2008 4M a t e r i a a l o n d e r z o e kDe voorgeschreven sterkteklasseten tijde van aanleg van de viaduc-ten (ca. 1970) was K300 voor de insitu druklaag en K600 voor de pre-fab liggers. Deze sterkten kunnenworden vergeleken met de huidigesterkteklassen respectievelijkC20/25 en C40/50. Voor de herbe-rekeningen is echter de werkelijkaanwezige sterkte van belang. Tengevolge van doorgaande hydratatieneemt de sterkte in de loop van detijd toe, in het bijzonder bij de toe-passing van hoogovencement. Vandeze sterktetoename is gebruikgemaakt op basis van in-situ onder-zoek.Voor de beoordeling van de werke-lijke materiaalsterkte zijn kernengeboord en getest. Voor de evalu-atie van de sterkteklasse is gebruikgemaakt van de NEN-EN 13791 [1](tabel 1). De werkelijk aanwezigesterkte ligt aanzienlijk hoger dan deoorspronkelijke ontwerpsterkte.Naast het bepalen van de druk-sterkte rees de vraag naar de werke-lijke treksterkte van het materiaal,aangezien de relatie tussen druk-en treksterkte voor hoge sterkte-klassen en bij afwijkingen van de28-daagse standaard niet algemeengeaccepteerd is. Tijdens de ont-werpfase is daarom gekozen voorhet boren van extra kernen voor hetbepalen van de splijttreksterkteconform NEN-EN 12390-6.De gemiddelde gemeten splijttrek-sterkte is vergeleken met de bere-kende gemiddelde treksterkte (fbm)volgens de relatie met de karakte-ristieke druksterkte (f'ck) volgensNEN 6720 [2]:fbm= 1,40 ? 0,7 (1,05 + 0,05 f'ck) (1)Tabel 2 toont een overzicht van deresultaten, inclusief een aanduidingof de in situ treksterkte hoger (+) oflager (-) is dan de berekende trek-sterkte. Alle resultaten liggen indezelfde orde (97%) of hoger.Voor de herberekeningen is ge-bruikgemaakt van de werkelijkedruksterkte met bijbehorende trek-sterkte (volgens bovengenoemderelatie (1)).E E M - b e r e k e n i n g e nDe invloed van de bouwfasering isin de berekeningen meegenomendoor superpositie van het statischbepaalde stadium (belastingen:eigen gewicht liggers en druklaag)en het statisch onbepaalde stadium(belastingen: asfalt en verkeer).Door kruip van het beton is nacirca 35 jaar de aanwezige span-ningstoestand in de dekken aan-zienlijk opgeschoven naar het sta-tisch onbepaalde systeem.Dit type constructies wordt veelalberekend door modellering vanhet dek (liggers + druklaag) als 2Dorthotrope plaat met verschillendestijfheden in langs- en dwarsrich-ting. Voor de A9 viaducten is ge-kozen voor een 2D orthotroopplaatmodel voor de druklaag ge-combineerd met excentrisch daar-aan verbonden liggers. Deze aan-pak is gekozen om een meer rea-listische modellering van het ge-drag van de constructie te verkrij-gen. Bovendien werd verwacht datdeze modellering zou leiden totbesparingen op de benodigde5 + 1 stroken in gebruik gedurende voorbereidende werkzaamheden overlaging fase 1barrierrichting Amsterdam richting Utrecht richting Utrechtwegaswegas5 stroken in gebruik gedurendestorten en verharden overlaging fase 1richting Amsterdam richting Utrecht storten en uithardenviaduct onderdeel aantalkernenfbm(n),is*N/mm2fbm**N/mm2KW157KW158KW159liggers 3 5,7 5,7 +druklaag 3 5,0 4,7 +KW161liggers 2 5,0 5,2 -druklaag 4 4,1 3,8 +KW174KW175KW181liggers 3 5,3 5,2 +druklaag 5 4,6 4,0 +* gemiddelde treksterkte in situ, bepaald op basis van boorkernen.** gemiddelde treksterkte berekend volgens NEN 6720:A4.viaduct onderdeel aantalkernenfck,is*N/mm2sterkteklasse**KW157KW158KW159liggers 9 81 C80/95druklaag 9 69 C60/75KW161liggers 3 96 C70/85druklaag 3 49 C45/55KW174KW175KW181liggers 9 74 C70/85druklaag 9 55 C45/55* karakteristieke druksterkte in situ bepaald volgens NEN-EN 13791.** sterkteklasse volgens NEN-EN 206-1 [3] in combinatie met NEN 8005.Tabel 1 | Testresultaten cilinderdruksterkte en bijbehorende sterkteklasseTabel 2 | Resultaten splijtrekproeven en relatie met treksterkte op basis van sterkteklasse2 |FaseringsprincipeC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouwcement 2008 4 35versterkingsmaatregelen.De keuze voor deze modelleringleidde tot aanzienlijk langere reken-tijden (tot ca. 1 uur) en leverdebovendien enkele resultaten op dienormaal gesproken niet wordengevonden bij toepassing van hetconventionele model, te weten:? torsiemomenten in de liggers,die moesten worden gecontro-leerd t.o.v. de beschikbare tor-siecapaciteit;? buigende momenten in dedruklaag in langsrichting, doorde spreiding van wiellasten naarde liggers (fig. 3).Vergeleken met dwarsmomentenin de druklaag zoals afgeleid uithet conventionele model zijn demomenten in het gekozen modelaanzienlijk lager. Dit kan gedeelte-lijk worden verklaard uit het feitdat de torsiestijfheid van de lig-gers de kromming van de druk-laag in dwarsrichting beperkt.Bovendien bleken de optredendebuigende momenten lager dangebruikelijk aangenomen op basisvan de optelling van de `sprei-dingsfunctie' van de druklaag ende lokale momenten door de wiel-belastingen tussen de liggers. Demaximale momenten veroorzaaktdoor deze spreidingsfunctie blij-ken niet samen te vallen met delokale buigende momenten.Door de momentverdeling in dedekken op bovenstaande wijze tebeschouwen kon worden onder-bouwd dat versterkingsmaatrege-len van sommige viaducten kon-den worden voorkomen.Op basis van een rijstrookindelingconform NEN 6706 krijgen deeerste liggers nabij de rand van dedekken de hoogste momenten endwarskrachten. Deze zijn in be-schouwing genomen voor de be-nodigde toetsingen in ULS enSLS. Voor de vermoeiingstoets isde werkelijke rijstrookindeling(met vluchtstrook) in beschou-wing genomen.V o o r s p a n n i n g i n d el i g g e r sDoor de effecten van de bouwfase-ring, voorspanning, krimp en kruipvan de liggers en de druklaag tebepalen, is aangetoond dat de voor-spanning uit de liggers zich nauwe-lijks herverdeelt over de samenge-stelde doorsnede, maar voor hetovergrote deel in de liggers blijft.Deze constatering leverde belang-rijke berekeningstechnische voor-delen op, aangezien conform VBCde toelaatbare buigtrekspanning inde liggers gerelateerd is aan degemiddelde voorspanning in deligger. Een hoger voorspanniveauleidt tot een hogere drukzone enkleinere scheuren.O p t i e s v o o r v e r s t e r k i n g s -m a a t r e g e l e nDrie van de zeven onderzochtekunstwerken bleken voldoende(reserve)capaciteit te bezitten omonder de gevraagde belastingennog ten minste vijftien jaar te func-tioneren. Vier viaducten voldedenzonder aanvullende maatregelenniet aan deze eis, aangezien zeconstructieve tekortkomingen ver-toonden zoals onvoldoende wape-ning in de druklaag boven de tus-sensteunpunten, hoge trekspannin-gen in de liggervelden en/of onvol-doende dwarswapening in de druk-laag. Al deze tekortkomingen kon-den worden opgelost door het toe-passen van een circa 100 mm dikkegewapend betonnen overlaging.Versterkingsmaatregelen diegebruikmaken van (uitwendige)koolstofvezelwapening zijn ookoverwogen, aangezien dergelijkeoplossingen potentieel tot nogminder verkeershinder zoudenleiden. De (te) beperkte mogelijk-heden van dergelijke systementrekspanningen in de liggers inde SLS te reduceren en de onmo-gelijkheid de onderzijde van dedruklaag te versterken, hebbenertoe geleid dat deze optie al ineen vroeg stadium is afgevallen.O n t w e r p v a n d eo v e r l a g i n gDe specificaties voor een beton-nen overlaging waren gedeeltelijkal door de opdrachtgever voorge-schreven:? sterkteklasse C53/65;? minimum aanhechtsterkte 1,5N/mm2;? minimum aantal ankers/deu-vels: vier per m2en tien per m2langs de randen;? levensduur bij versterkingsmaat-regelen minimaal honderd jaar.De EEM-berekeningen toondenaan dat vier ankers per m2in hetmidden van de overspanning nietnoodzakelijk waren. De aanhecht-sterkte bleek voldoende. De tienca.100ca.10stekken 12gaten ? 1640mmdekkingR=30ca.50mmasfaltlaagca.130mmbetonoverlagingafwerklaag70vullen metlatexfalt200ca.210latexfaltsafegrip12 onderrand stekken 6?12/m?3 |Buigende momenten(druklaag) in langsrich-ting; trek aan onderzijdeplaat4 |Detail betonnen overla-gingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouw36 cement 2008 4ankers per m2langs de randenbleken echter wel noodzakelijk omhet `opkrullen' van de vrije randendoor krimp van de overlaging(schotelen) te voorkomen.De overlagingen zijn maximaalcirca 100 mm dik. Binnen dezeafmeting is juist voldoende ruimtevoor twee lagen wapening inclusief40 mm dekking en het storten vaneen betonmengsel met Dmax= 16mm (fig. 4). Het minimaliseren vande dikte van de overlaging wasnoodzakelijk om gewichttoenameen daarmee onnodige extra belas-tingen op de onderbouw inclusiefde paalfundering te voorkomen.M e n g s e l o n t w e r p e np r o e f s t o r tNaast de eerder genoemde specifi-caties voor de betonoverlagingmoest rekening worden gehoudenmet de condities tijdens uitvoering.Door de zeer strikte eisen aan ver-keersoverlast (zie ook fig. 2) is debeschikbare uitvoerings- en verhar-dingstijd kort. Dit heeft zich ver-taald naar drie sterkte-tijdcriteria:? trillingen tijdens de verhardingvan beton kunnen leiden totschade. Om dit risico uit te slui-ten is ervoor gekozen geduren-de de verharding geen verkeertoe te staan op het dek waaropde overlaging wordt uitgevoerd,totdat een druksterkte van 12 N/mm2is gehaald [4]. De beschik-bare tijd hiervoor is 29 uur(inclusief storten);? het aanbrengen van asfalt na 45uur vereiste een druksterkte(door belastingen van de asfalt-set) van 20 N/mm2;? zes dagen na het storten moesthet overlaagde dekgedeeltebeschikbaar zijn om in gebruikte worden genomen. Dit vereisteeen druksterkte van 45 N/mm2.Het mengsel is ontwikkeld innauwe samenwerking met deleverancier. Om problemen envertragingen op de bouwplaats tevoorkomen is een proefstort uitge-voerd (foto 5), waarbij:? De sterkteontwikkeling is gedo-cumenteerd en geverifieerd. Devereiste sterkteontwikkeling kongoed worden gehaald binnen debeschikbare tijd, zelfs met hetgebruik van CEM III/B. Dezecementsoort heeft de voorkeurgezien de eis aan de levensduur.? De aanhechtsterkte is beproefd.Na een voorbewerking van debestaande ondergrond doorfrezen en hoge druk waterstra-len, wordt de vereiste aanhecht-sterkte (1,5 N/mm2) na zesdagen behaald.? Diverse nabehandelingsmetho-den zijn getest (met en zonderplastic folie, beschermd dooreen tent). Er zijn geen signifi-cante verschillen in sterkteont-wikkeling waargenomen.? De relatie tussen verwerkbaar-heid en oppervlakteafwerking isbeschouwd: door de vereistedwarshelling van het oppervlakmoet de verwerkbaarheid tus-sen bepaalde grenzen liggen.Gebaseerd op het proefstort is aan-getoond dat het mengselontwerpaan de eisen kon voldoen, is dejuiste werkmethode vastgesteld enzijn maatregelen voor de kwaliteits-controle gedefinieerd. Hierdoorwas men optimaal voorbereid opeen juiste uitvoering.U i t v o e r i n g v e r s t e r k i n g s -m a a t r e g e l e nOm een goede hechting tussen debestaande druklaag en de overla-ging te krijgen is het oppervlak vanhet bestaande dek opgeruwd doorhet frezen van de bovenste millime-ters beton (foto 6). Toen echter debovenzijde van de druklaagwape-ning zich aftekende, werd duidelijkdat er in het verleden al excessiefgefreesd is. Naar aanleiding vandeze bevinding is de dikte van deoverlaging aangepast om voor hetverlies aan dikte van de oorspron-kelijke druklaag te compenseren.5 |Proefstort6 |Detail opgeruwd dek. Op??n locatie was na hetfrezen een raadselachti-ge `betoncirkel' zicht-baar7 |Boren van gaten voorankersC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouwcement 2008 4 37Direct na het frezen zijn gatengeboord voor de ankers die debestaande druklaag en de overla-ging verbinden (foto 7). De wape-ningslagen zijn geprefabriceerd (opde rol) om de snelheid van werkente maximaliseren (foto 8).De ankers werden ingelijmd na hetaanbrengen van de wapening. Foto9 toont een overlaging `stortklaar'.C o n c l u s i e sHet ontwerp en de uitvoering vanversterkingsmaatregelen van vierviaducten in de A9 nabij Amster-dam hebben een beter begrip opge-leverd van zowel het constructievegedrag van viaducten bestaande uitvoorgespannen prefab liggers eneen gewapend betonnen druklaag,evenals de mogelijkheid sterkte enduurzaamheid te verbeteren doorde toepassing van een gewapendbetonnen overlaging. De belang-rijkste conclusies luiden:? modellering van het dek als 2Dorthotrope plaat met excentri-sche liggers leidt tot realisti-scher resultaten dan een over-all orthotroop dek, en kan lei-den tot reductie of voork?menvan de noodzaak van verster-kingsmaatregelen;? de werkelijk aanwezige druk-laag en asfaltdikte moetenvoorafgaand aan het ontwerpin situ worden vastgesteld /gecontroleerd;? materiaaltechnologisch onder-zoek (boorkernonderzoek,mengselontwerp en proefstort)heeft geleid tot belangrijkevoordelen voor het project;? de gewapend betonnen overla-ging heeft aangetoond een effec-tieve versterkingsmaatregel voordit type constructies te zijn;? het krappe tijdschema en decontractueel vastgelegde boetesbij vertragingen vereisten eengedegen planning en een effec-tieve uitvoering van de werk-zaamheden.Het tijdschema is gehaald dankzij:? keuze voor betrouwbare leve-ranciers;? goed uitvoerbaar ontwerp, dateen hoge snelheid van werkenmogelijk maakt;? ontwikkeling van werkmetho-des die onafhankelijk zijn vande weersomstandigheden;? hoge mate van kwaliteitsbor-ging om latere aanpassingen tevoorkomen.Afsluitend kan worden gezegddat het tijdig en conform de juis-te kwaliteit uitvoeren van derge-lijke werkzaamheden alleenmogelijk is in nauwe samenwer-king tussen ontwerp, technologieen uitvoering. nL i t e r a t u u r1. NEN-EN 13791, Beoordelingvan de druksterkte van betonin constructies en vooraf ver-vaardigde betonelementen.Nederlands Normalisatie-instituut 2007.2. NEN 6720/A4, VoorschriftenBeton TGB 1990-? Construc-tieve eisen en rekenmetho-den VBC 1995. NederlandsNormalisatie-instituut, 2007.3. NEN-EN 206-1, Beton - Deel1: Specificatie, eigenschap-pen, vervaardiging en confor-miteit. Nederlands Normali-satie-instituut 2001.4. Ansell, A, & Silfwerbrand, Thevibration resistance of youngand early age concrete. Struc-tural Concrete, Volume 4, Issue3, 2003.Projectgegevensopdrachtgever:Rijkswaterstaataannemer:BAM Combinatie Kosmos 4 (combina-tie van BAM Civiel en BAM Wegen)adviseur materiaalonderzoek,testen en berekeningen:BAM Infraconsultleverancier betonmortel:Cementbouw8 |Installatie van geprefa-briceerde wapeningseen-heden9 |Overlaging stortgereed(ankers en wapening)