A-pyloon RijnbrugD?sseldorf*Dit artikel is onder andere gebaseerd op eenlezing van dipl.-Ing. H.Schambeck, gehoudenop een door de STUBECO georganiseerdelezingavond d.d. 9 mei jl. te Utrecht.1Langsdoorsnede en plattegrondDe nieuwe brug over de Rijn bij D?sseldorf die over enkele maanden in gebruik wordt genomenheeft een opvallende vormgeving gekregen door de tuien af te spannen op ??n 150 m hogebetonnen pyloon die geplaatst is op de linker Rijnoever. De oplossing van ??n pyloon volgde uitde gegeven situering waar de Rijn aan de rechter oever vlak langs de winterdijk stroomt zodateen pijler op die plaats minder wenselijk werd geacht.Zoals uit figuur 1 valt af te lezen wordt de hoofdoverspanning verkregen met een stalenbovenbouw terwijl het toeleidingsviaduct met 13 overspanningen van 60 m in beton werdgebouwd. De hoofdoverspanning bedraagt 368 m, bij een brugbreedte van 41,70 m. Debelasting uit het ruim 15 000 m2grote brugoppervlak was te groot om te worden opgenomendoor een pyloon ter plaatse van de 4 m brede middenstrook. Het verbreden van deze midden-strook werd niet zinvol geacht, omdat daarmee de brug over de volle lengte breder zou moetenworden.Het zijn deze overwegingen geweest die er toe hebben geleid de pyloon zijn karakteristiekevorm van een omgekeerde Y te geven: het bovenste gedeelte waar de tuien (bestaande uitgroepen van 6-12 kabels van 93-111 mm) verankerd zijn, bestaat uit een verticale schachtloodrecht boven de middenstrook van de brug; deze schacht vertakt zich in twee schuinlopenderegels (onder ca. 70?) van 75 m hoogte die aan weerszijden van het brugdek hun fundamenthebben.Men had kunnen besluiten deze regels te be?indigen ter hoogte van de onderzijde van het brug-dek en de constructie naar onderen toe te voltooien in de vorm van een pijler met de conventio-nele langgerekte vorm. Maar zowel de constructeurs als de architect gaven de voorkeur aan hetdoorzetten van de schuine regels en het brugdek aan de zijkanten in deze regels op te nemen.Voor de ondergrond had de beslissing van het schuin afvoeren van de belastingen geen con-sequenties. Er was zelfs geen trekelement nodig tussen de twee afzonderlijke funderingen die65 m van elkaar zijn verwijderd.Constructieve uitgangspuntenUitgangspunt vormde de grondgedachte in de pyloon over de gehele hoogte een zo veelmogelijk gelijke centrische betondrukspanning te laten heersen van een zodanige grootte datdeze niet ver van de toelaatbare waarde verwijderd is. Figuur 2 toont dat de pyloon aan deCement XXXI (1979) nr. 8 334foto's: Dywidag-Systems International GmbH2Aanzichten en doorsneden van de pyloonbovenzijde het smalst is en naar onderen toe geleidelijk aan in afmeting toeneemt overeenkom-stig het aantal verankerde tuien. Van het ontmoetingspunt van de regels tot aan de inklemmingvan het brugdek nemen de afmetingen slechts weinig toe, omdat alleen met het groter wordendepiloongewicht rekening behoeft te worden gehouden. Onder het ingeklemde brugdek tot aan defundering is sprake van een aanzienlijk groter wordende doorsnede. De maximale normaal-kracht in de pyloon bedraagt ca. 400 000 kN.Er werd vooral gestreefd naar een minimale betondoorsnede voor de schuine regels met het oogop de uitvoeringsmethodiek, nl. het glijden. Hier zou een onnodig zware betonconstructie extraafstempelingen of ondersteuningen nodig hebben gemaakt.Verdere eisen betroffen het statisch functioneren van de constructie. De gekozen oplossingvoor het betonnen toeleidingsviaduct dat ter plaatse van de velden waarin de tuikabels zijnverankerd is uitgevoerd als een stijf rooster, houdt in dat via de tuien op de pyloon extramomenten worden uitgeoefend, waarvan de grootte wordt bepaald door de eigen stijfheid.Immers, bij vervormingen van de kabels aan landzljde is de pyloon gedwongen deze te volgen.Deze overweging leidde ertoe het verticale gedeelte van de pyloon zo slank mogelijk te houden,waarbij de knikveiligheid tijdens de bouw van de 150 m hoge, niet-getuide mast als maatgevendwerd beschouwd.Tegenover de wens het bovenste gedeelte zo slank mogelijk te dimensioneren, stond de eis hetpyloongedeelte onder de inklemming van het brugdek zo stijf mogelijk te bouwen. Hier wordende krachten uit het brugdek op de pyloonregels overgebracht. Bovendien vormt de pyloon hetenige vaste punt van de 1148 m lange brugconstructie en dient derhalve de windbelasting indwarsrichting op de brug op te nemen. De maximale horizontale belasting bedraagt per regel ca.24,3 MN. De statische en de constructieve uitgangspunten leiden hier dus tot een zelfdeoplossing.De inklemming van het brugdek in de pyloon komt neer op een ligger, die dwars door de regelssteekt en die met een breedte van 2,40 m een aanzienlijke uitsparing nodig maakt. Ter hoogtevan deze uitsparing vormen twee rechthoekige doorsneden van 2,00 5,30 m de statischminimaal benodigde doorsnede. Boven het brugdek zijn de prismatische doorsneden door eenlijf tot een l-vormige doorsnede samengevoegd.Bij het verticale gedeelte van de pyloon was de doorsnede ter plaatse van de tuiverankeringenvoor de keuze van de afmetingen maatgevend. Te voren stond vast dat de tuien moesten wordenverankerd in stalen kasten die in uitsparingen van 2,40 m breed en 5,00 m hoog werdengeplaatst. De betondoorsnede bestaat hier uit twee met de lijven naar elkaar toegekeerde [-profielen, in feite een logische voortzetting van de l-vormige doorsnede die voor de schuineregels werd gekozen. Tussen de tui-verankeringen zijn de [-vormige doorsneden door een lijfverbonden, dat in statisch opzicht niet nodig was geweest en ook het eigen gewicht onnodigverzwaart. Niettemin was er geen sprake geweest van kostenbesparingen wanneer van dit lijfzou zijn afgezien.De nis in de [-vormige doorsneden aan de zijkanten van de pyloon werd benut voor de installa-tie van een lift aan de benedenstroomse zijde en van trappen aan de bovenstroomse zijde. Opdeze wijze zijn zowel de tuiverankeringen alsmede de waarschuwingslichten voor het lucht-verkeer voor controle bereikbaar.Uit het oogpunt van vormgeving, komt de pyloon niet over als een massieve constructie van6,40 m breedte, maar wordt optisch het effect bereikt van twee zeer slanke schijven die naastelkaar staan.Cement XXXI (1979) nr. 8 3353Spanningstoestanden tijdens deverschillende bouwfasen t. g. v. de tijdelijkevoorspanning en horizontale afstempelingTen slotte werd bij het vastleggen van de afmetingen ook de wijze van uitvoering bekeken. Bijeen constante afmeting ?n de breedte van 2,00 + 2,40 + 2,00 m = 6,40 m over de gehele hoogtelag het voor de hand bij de uitvoering een glijbekisting toe te passen.Het krachtenspelTen einde door middel van voorspanning en andere maatregelen de buigende momenten in depylonen als gevolg van de permanente belasting zo goed mogelijk te beheersen, werden met hetoog op de gebruikstoestand van de constructie de volgende drie maatregelen genomen:? De krachten in de verankeringskabels werden met behulp van voorspanning zodanig op dekrachten in de hangkabels aan de rivierzijde afgestemd, dat de momenten in langsrichting op hettijdstip to gelijk aan nul zijn. Dit houdt in dat de krachtsveranderingen in de doorsnede als gevolgvan plastische vervormingen klein blijven.? De dwarsdrager waarmee het brugdek in de pyloon rust, werd zodanig opgelegd dat de opleg-krachten niet loodrecht maar in de asrichting van de schuine regels werken. Theoretischontstaan als gevolg van temperatuurvervormingen van de dwarsdrager verticale drukken in dein dwarsrichting verschuifbare oplegging aan de bovenstroomse zijde. Deze bewegingen zijnechter klein en kunnen worden verwaarloosd.? Door het voorspannen van de schuine regels werd bereikt dat de loodrecht op de regelswerkende belasting door het eigen gewicht wordt gecompenseerd, waardoor buigendemomenten kunnen worden vermeden.Tijdens de bouw werd in de schuine regels een tijdelijke, afzonderlijke voorspanning toegepast.De kabels zijn naderhand ontspannen en ge?njecteerd (fig. 3). Met behulp van deze voor-spanning en met twee horizontale afstempelingen konden de regels vanaf de fundering naarboven vrij-uitkragend worden gebouwd.Het aandeel van de pyloon in het constructieve systeem kan het beste worden ge?llustreerd aande hand van een voorbeeld {fig. 4). Van een verkeersbelasting ter plaatse van kabelgroep 4, zal33% rechtstreeks door deze tui worden opgenomen, terwijl de overige belasting als gevolgvan de belastingspreidende werking van de verstijvingsliggers door de andere tuien wordengedragen. De totale horizontale belasting in de tuien aan de rivierzijde wordt voor 88%opgenomen door de tuien aan de landzijde, terwijl de resterende 12% als gevolg van debuigstijfheid van de schuine regels als dwarskracht omlaag wordt gevoerd. De buigstijfheid vanhet verticale pyloongedeelte is zodanig groot dat de eigen vervorming in vergelijking met de ver-vormingen in de tuien aan de landzijde slechts klein zijn. Dit betekent, dat de piekbelasting vaneen tui aan de rivierzijde over alle verankeringstuien wordt gespreid en dat de krachten in dezeverankeringstuien in de eerste plaats worden bepaald door hun doorsnede. De buigendemomenten in het verticale gedeelte van de pyloon die het gevolg zijn van deze belastingsprei-dende functie kunnen zonder problemen worden opgenomen.In hoeverre wordt nu het draagsysteem be?nvloed door de stijfheid van de pyloon? Het blijkt dat,als deze stijfheid wordt gereduceerd tot de helft, bovengenoemde dwarskrachtafdracht via deschuine regels ongeveer in gelijke mate afneemt. De belastingspreidende werking van hetverticale gedeelte van de pyloon en daarmee ook de optredende buigende momenten blijvenechter hetzelfde omdat ook bij deze gereduceerde pyloonstijfheid de stijfheidsverhoudingtussen pyloon en verankeringstuien in wezen niet wordt be?nvloed, gezien het vervormings-vermogen van laatstgenoemde.Figuur 5 geeft een overzicht van de krachten die optreden bij een rekenkundige belasting opbreuk. Hierbij kunnen de volgende opmerkingen worden gemaakt:? De belasting door het eigen gewicht van de pyloon boven het fundament bedraagt ongeveer34% van de totale belasting uit een combinatie van de ongunstigste belastinggevallen.Cement XXXI (1979) nr. 8 3365Overzicht van de krachten die optreden bijrekenkundige belasting op breuk? De momenten die het gevolg zijn van permanente belasting en voorspanning zijn in de gebruiks-toestand gelijk aan nul. In de breuktoestand houdt men echter, vanwege de verschillende veilig-heidsco?ffici?nten, momenten in langs- en dwarsrichting aan van 0,75 maal het gewicht.? Een vergelijking van de optredende normaalkrachten in de pylonen t.g.v. de tuien toont aan datin de gebruikstoestand 20% van de gezamenlijke tuikrachten als gevolg van permanentebelasting door voorspanning wordt ingeleid.? De momenten door kruip en krimp blijken bij de gekozen voorspanning zeer klein.? Aan de bovenkant van de fundering bedraagt het moment in langsrichting door wrijvings-krachten, remkrachten en windbelasting dwars op de brug ongeveer 27% van het totale breuk-moment.UitvoeringDe totale constructie werd zodanig ontworpen dat de werkzaamheden aan de pyloon onaf-hankelijk waren van de bouw aan het toeleidingsviaduct en de hoofdoverspanning. De pyloonwerd gebouwd als een vrije, vanuit de fundering oprijzende constructie. De brugdwarsliggerwerd vlak v??r het gereed komen van de pyloon gemonteerd, het aanbrengen van de tuiengeschiedde pas daarna. De bouwtijd bedroeg ca. 1? jaar, waarvan 6 maanden voor defundering en 12 maanden voor het opgaande werk.De beide fundamenten met een gewicht van elk 13 000 ton werden als caissons uitgevoerd,daarbij gebruik makend van een verloren bekisting voor het onderste gedeelte. Na voltooiing opmaaiveldhoogte geschiedde het op diepte brengen (tot +18,00 m NN) met behulp van onder-spoeling.De uiterwaarde bevindt zich iets boven de gemiddelde waterstand, zodat vanaf de snijrand vanhet caisson tot een hoogte van 4,05 m een geprefabriceerde stalen bekisting als veiligheid tegenhogere waterstanden diende. Deze bekisting vormde het alternatief van de aannemers-combinatie op een aanvankelijk voorgestelde bouwput.Opmerkelijk voor het afzinken van dit fundament was, dat het in tegenstelling tot de gebruikelijkewerkwijze, eerst tot de volle hoogte werd opgebouwd. De reden daartoe was om het gedrag vanhet caisson bij het planmatig afzinken niet door het naderhand opbrengen van een excentrischgewicht te be?nvloeden daar de aanzet voor de naderhand in glijbekisting op te trekken schuinepyloonregel bestond uit een scheve kegelstomp. Bij het afzinken bleek men het caisson bij toe-nemende diepte meer en meer in de greep te krijgen, zodat de funderingslaag, zowel verticaalals horizontaal, binnen de toegestaande toleranties werd bereikt. Aan de juiste stand werd veelbelang toegekend, daar de aansluiting van de pyloonregel aan de kegelstomp buigvast moestworden uitgevoerd. Daartoe was in het aansluitvlak een geconcentreerde wapening van schuinstaande staven zachtstaal en voorspanstaal aanwezig. Deze wapening diende na het afzinkenmet een nauwkeurigheid van 5 cm in alle richtingen op de te maken regels aan te sluiten (fig. 6).Na be?indiging van het onderspoelen en het bereiken van de definitieve diepte werd de werk-kamer met beton gevuld. Dit geschiedde door middel van pompen, waarbij ervoor moest wordengezorgd dat alle lucht uit de kamer kon ontwijken. De enigszins verstoorde funderingslaag werdverdicht met behulp van verhoogde luchtdruk boven in de werkkamer vlak v??r het binden vanhet betonmengsel. Met deze 'voorbelasting' sloot men de zetting naderhand nagenoeg uit. Deverhoogde luchtdruk bracht het caisson bijna in een zwevende toestand. De kegelstomp werd in??n fase gebetonneerd. Hiervoor werd een bekisting ontwikkeld uit radiaal verlopendebekistingsdragers die met horizontale stalen ringbanden werden gefixeerd.Cement XXXI ( 1979) nr. 8 337De caissons bezitten afmetingen van 22,0 22,50 m bij een hoogte van 8 m. Daarop kwam dannog de kegelstomp met een gemiddelde hoogte van 7,30 m. De afzinkdiepte bedroeg bijna 11 m.Bij de bouw van de pyloon bleek zoals vermeld de voorkeur uit te gaan naar het gebruik van eenglijbekisting. De uitvoering kwam neer op 58 startfasen van 2,50 m hooge (loodrecht gemeten):28 fasen ten behoeve van de schuine regels, 30 fasen ten behoeve van het verticale gedeelte.De stortfasen van 2,50 m waren afgestemd op de afstanden van 5 m tussen de tuiverankeringenin het verticale gedeelte. Het storten geschiedde d.m.v. betonpompen, waarbij de maximalepomphoogte van 150 m zonder tussenstation werd overwonnen.Tijdens de uitvoering werden de uitkragende momenten opgenomen met behulp van tijdelijkevoorspanning. Op 32 m hoogte werd tussen beide regels de eerste afstempeling aangebracht en20 m hoger de tweede. Beide konden een maximale drukkracht van 10 000 kN uitoefenen. Dezeafstempeling kwam tot stand door middel van telkens twee stalen buizen met 14 mm wanddikteen met een diameter van resp. 1500 en 1200 mm. De buizen werden door middel van vijzelstussen de regels geklemd.De glijbekisting was zodanig geconstrueerd dat na het bereiken van het knooppunt van beideregels de buitenste kistdelen konden worden losgekoppeld en na kanteling samengevoegd toteen nieuw geheel ten behoeve van het verticale pyloongedeelte.Het injecteren van de voorspankabels in de schuine regels geschiedde van onderaf, waarbijhalverwege (op ca. 38 m hoogte) van een tussenstation gebruik is gemaakt.Voor de montagewerkzaamheden van de stalen onderdelen, zoals de dwarsligger voor de brug-oplegging, de kasten voor de tuiverankeringen en de bekleding van de nissen aan weerszijdenvan de pyloon stond een torenkraan opgesteld.In het algemeen kan nog worden opgemerkt dat bij dit interessante en niet-alledaagse bouw-project verschillende detailproblemen moesten worden opgelost. De plaats van de pyloon in deuiterwaarde beperkte de bouwtijd, hetgeen dag en nacht doorwerken noodzakelijk maakte. Demassieve betondoorsnede vergde speciale maatregelen om ongewenste temperatuurontwik-keling tijdens de betonverharding te voorkomen. Ook was een hoge aanvangsterkte vereist omin een vroegtijdig stadium te kunnen ontkisten, voorspannen en verankeren. Na montage van deeerste afstempeling was het noodzakelijk de voortgang van de beide regels nauwkeurig opelkaar af te stemmen, teneinde ongelijkmatige belastingen van deze stempels tegen te gaan.Cement XXXI (1979) nr. 8 3387Doorsnede over de aanbrug; boven depijlers zijn de kokerliggers verzwaarduitgevoerdKorte beschouwing over de brug zelfOfschoon de beschreven pyloon een opmerkelijk onderdeel van deze nieuwe Rijnbrug vormt,mag niet uit het oog worden verloren dat ook de brug zelf, met een hoofdoverspanning van 368m, een opmerkelijke constructie is.Het toeleidingsviaduct, doorgaand over 13 overspanningen van 60 m, werd veldsgewijsuitgevoerd met behulp van een verschuifbaar bekistingssysteem, waarvan de hoofdelementenworden gevormd door uitbouwliggers (vollewandliggers van 2,336 m hoogte). In een normaleoverspanning werden vier van deze liggers gebruikt, die om de 12 m werden ondersteund doorhulppijlers. De eerste 8 velden van het viaduct zijn gelegen in een overgangsboog. Het brukdekbestaat over de eerste 8 velden uit twee eencellige kokers van 7 m breedte, die boven de pijlersverzwaard zijn uitgevoerd, met aangestorte uitkragingen. De strook tussen de kokers is 15,50 mbreed (fig. 7).Afwijkend van ontwerp zijn de 4 velden die invloed ondergaan van de tuiverankeringen. Dezevelden moeten tegenwicht bieden aan het gewicht van de hoofdoverspanning in staal.Bovendien moesten voorzieningen worden getroffen voor het verankeren van de tuien. Defunctie van tegenwicht en het verankeren van de tuien werd gevonden in de toepassing van eenverzwaarde brugstrook. Het brugdek gaat geleidelijk over in een roosterconstructie met 4 kokersen een massieve middenstrook van 6,80 m waarin inkassingen zijn gemaakt ter plaatse van detu ?verankering. Hier worden ook de tuien aangespannen. De maximale verankeringstrekkrachtvan elke kabelgroep bedraagt 77 000 kN. Bovendien zijn om de 15 m dwarsverstijvingenaangebracht (fig. 8). Uiteraard was de uitvoering van dit viaductgedeelte volledig afgestemd opde vorderingen van de hoofdoverspanning. Omdat eerst het beton moet worden gestort al-vorens er tuien aan kunnen worden verankerd, moesten tijdelijke pijlers zorgen voor het af-voeren van de belasting. Het gebruik van extra voorspankabels in plaats van hulppijlers zou ookmogelijk zijn geweest. Beide maatregelen gaven dezelfde extra kosten.Een betonnen toeleidingsviaduct dat tegelijkertijd als tegenwicht bij een tuibrug moet func-tioneren is natuurlijk overeenkomstig duurder. Toch waren de kosten beperkt tot DM 900,- perm2, wat waarschijnlijk ook mede werd be?nvloed door de harde concurrentiestrijd in de destijdsminder gunstige conjunctuur.Het meest kritische onderdeel van de totale draagconstructie werd gevormd door de verbindingtussen tuibrug en pyloon, tevens het enige vaste punt en de ontmoeting tussen de stalen en debetonnen bovenbouw. Het was ook de plaats waar drie aannemingsbedrijven elkaar ontmoet-ten, want de tuibrug, het betonnen toeleidingsviaduct en de pyloon vormden afzonderlijkeCement XXXI (1979) nr. 8 3399Grafische voorstelling van de benodigdetegengewichten bij een hoofdoverspanninguitgevoerd in lichtbetondeelcontracten. De stalen brug en het betonnen toeleidingsbrug zijn ter plaatse van dit ont-moetingspunt momentstijf met elkaar verbonden. Dit geschiedde met behulp van bouten envoorspankabels.Een gemiste kans voor lichtbeton?Tijdens de ontwerpfase van de hoofdoverspanning is nog een alternatieve oplossing in licht-beton bekeken. Hierbij mag in het algemeen worden opgemerkt dat ontwikkelingen in debruggenbouw in hoge mate bevorderd werden door praktijktoepassingen. De reden daarvoormoet worden gezocht in het feit dat nieuwe concepties sterk gerelateerd zijn aan de toe tepassen uitvoeringsmethodiek. Dyckerhoff & Widmann diende in 1974 een voorstel in voor debouw van de hoofdoverspanning van 365 m in lichtbeton.Daarbij werd gedacht aan een verstijvingsligger waarvan een lengte van 265 m aan tuien zouworden opgehangen, terwijl de overige 100 m werd ondersteund door een pijler in de uiter-waarde op 50 m afstand van het landhoofd. De doorsnede van het opgehangen gedeelte wasgedacht als een kokerligger met 7 langsschotten en met dwarsverstijvingen op 8,50 m hart-op-hart. De tuien waren op afstanden van 17 m aangebracht. De constructiehoogte bedroeg2,20 m. De uitbouw van het brugdek zou in twee fasen geschieden; allereerst het middelstegedeelte, zodat vermeden werd dat de momenten in de bovenbouw alsmede de krachten in devoorste tui tijdens de bouw groter zouden zijn dan in de definitieve toestand. In figuur 9 wordtaangegeven welk tegengewicht nodig is ter plaatse van de verankering van de tuien om de brugvoldoende stabiliteit te geven. Ofschoon deze alternatieve oplossing ca. 10 miljoen DM goed-koper was, heeft men de uitvoering toch niet aangedurfd.ing.M.G.P.NelissenCement XXXI (1979) nr. 8Literatuur1. Modemann Dipl.-Ing.J. en Dipl.-Ing.K.Th?nnissen, 'Die neue Rheinbr?cke D?sseldorf-Flehe/Neuss-Uedesheim - Planung, Entwurf, Ausschreibung, Vergabe und Ueberblick ?ber denAusf?hrungsentwurf'; Bauingenieur(54), januari 1979 (Heft 1).2. Zellner Dipl.-Ing.W. en Dipl.-Ing.P.Schmidts, 'Rheinbr?cke D?sseldorf-Flehe/Neuss-Uedesheim, Spannbeton-Vorlandbr?cke'; Bauingenieur (54), maart 1979 (Heft 3).3. Schambeck Dipl.-Ing.H., Dipl.-Ing.H.Foerst en Dipl.-Ing.N.Honnefelder, 'Der Betonpylon derRheinbr?cke D?sseldorf-Flehe/Neuss-Uedesheim'; Bauingenieur (54), maart 1979 (Heft 3).4. Betonpylon der Rheinbr?cke D?sseldorf-Flehe. Dywidag-BerichtHr. 7, Spannbetonbr?cken.5. Projekt einer Spannleichtbetonbr?cke mit 365 m Spannweite. Dywidag-Bericht Nr. 7, Spann-betonbr?cken.6. Nieuwe Rijnbrug: D?sseldorf-Flehe binnen het trac? van de Bundesautobahn (Bab.) A46;Betondispuut, jaarverslag 1977-1978.340