Balanceren op de grenzen van prefab4201420Balancerenop de grenzenvan prefab1Prefab`special'bij Sporen in Den BoschRolverdelingIn opdracht van Heijmans Civiel heeft Betonsoneen tenderontwerp gemaakt voor de nieuw tebouwen prefab-betonnen spoor-trogconstructies.Na gunning heeft Wagemaker in opdracht vanBetonson het definitief ontwerp en detailontwerpuitgewerkt.Inmiddels is Betonson Infra samengegaan metSpanbeton.Balanceren op de grenzen van prefab 42014 21Het project betreft een dubbel- en enkelsporige trogbrug (DS,resp. ES) over de Dieze nabij station Den Bosch (beide metlengte 150 m) en een enkelsporige fly-over (FO, lengte 330 m).Deze kunstwerken vervangen de oude, lawaaiige, dubbelspo-rige stalen brug en cre?ren een ongehinderde kruising vanspoorverkeer tussen station Den Bosch enerzijds en Utrecht enNijmegen anderzijds.Uitgangspunt in het tenderontwerp was zo veel mogelijkgebruik te maken van prefab beton. De gedachte hierbij wasdat prefab de bouwsnelheid flink kon verhogen en dat dureen ingewikkelde hulpconstructies konden worden vermeden.Bovendien was het project ? met een totale lengte van dekunstwerken van meer dan 600 m ? voldoende omvangrijk enrepetitief van karakter om te kunnen investeren in een prefab`special'. Prefab-betonleverancier Betonson (zie kader) werddaarom al vroeg in de tenderfase betrokken bij het ontwerp.In Cement 2014/1 is al ingegaan op het algemene ontwerp ende onderbouw. In dit artikel wordt uitgebreid ingegaan op hetconstructieve ontwerp van de prefab trogdekken.ConceptBetonson had voor kleinere overspanningen al een `prefabtrog-concept' op de plank liggen. In dit concept worden de(holle) prefab trogbalken direct op de eindsteunpunten gemon-teerd en wordt de trogvloer ertussen `gehangen'. Voor dezebouwwijze zijn relatief eenvoudige hulpconstructies nodig. Deverbinding van de trogvloer met de trogbalken wordt gereali-seerd door dwarsnaspanning. Een principi?le keuze, waarbijeen robuuste verbinding wordt gecre?erd en het gebruik vanvermoeiingsgevoelige mechanische koppelingen (stekankers/stekeinden) wordt vermeden. Langsnaspanning in de trogvloergeeft uiteindelijk voldoende draagvermogen voor het gebruiks-stadium.Met het project Sporen in Den Bosch heeft ProRaileen belangrijk knelpunt in het huidige spoorwegnetaangepakt. Het project bestaat uit enkel- en dubbel-sporige trogconstructies, uitgevoerd in prefabbeton. Met overspanningen tot 52 m werdenaanvankelijk de grenzen van prefab fors overschre-den. De zoektocht die volgde leverde uiteindelijk eenunieke en elegante constructie op.ing. wim van den Berg, ir. Jan willem de voswagemakerdr.ir. Hans BongersSpanbetonHet project Sporen in Den Bosch vereiste echter veel grotereoverspanningen, tot wel 52 m. Ook de karakteristieke gebogenonderzijde uit het architectonische referentieontwerp had denodige impact. Door het in-situ opstorten van de bovenflensvan de trog-kokerbalken voorzag het oorspronkelijke conceptal in een optie om overspanningen tot ongeveer 40 m mogelijkte maken. Voor de overspanningen in Den Bosch moesten dezeopstorten echter veel groter worden, zeker de opstort van deruim 4,5 m hoge middenbalk van DS. Directe montage op deeindsteunpunten werd hiermee onmogelijk: de spanningen ende doorbuiging in de prefab-betonligger zouden door hetgewicht van de opstort veel te groot worden. Daarom werdbesloten de liggers op te storten op een voorbouwlocatie naastde eindlocatie. Door de opleggingen op deze voorbouwlocatienaar binnen te verplaatsen, werden de spanningen kleiner ende vervormingen tijdens het opstorten weer acceptabel.Een oplossing was nu binnen handbereik en met het prefabontwerp (fig. 2 en 3) werd uiteindelijk de opdracht gegund.De uitdagingen in de uitvoering waren echter nog steedsaanzienlijk:? het aantal voorspanstrengen lag tegen de maximale spanca-paciteit in de fabriek aan;? de opstorten moesten in een hoge betonsterkteklasse(C53/65) worden uitgevoerd;? de asymmetrische vorm van de randbalken gaf een hoogrisico op zijdelings uitbuigen en dus potenti?le passingspro-blemen bij montage van de gebogen prefab schalen tussen detrogbalken;? de hijsgewichten van de samengestelde trogbalken waren nogsteeds zeer fors.Onbelemmerd uitzichtTijdens het uitwerken van het ontwerp kwam de spoorbouw-meester met de aanvullende eis dat de treinreiziger een onbe-lemmerd uitzicht moest hebben bij passage van de brug. Het3449135077501350naspanning (?80)naspanning (?100)21 montage randliggers2 trogontwerp tenderstadium enkelsporige trogbrug (ES) / enkelsprorigefly-over (FO)Balanceren op de grenzen van prefab4201422deelte verhoogd van C60/75 naar C70/85 en van de opstortvan C53/65 naar C70/85, voor in-situ geen alledaagse sterkte.? Een aanvullende dynamische analyse was benodigd omdatmet de gereduceerde stijfheid niet meer werd voldaan aan degrenzen voor de bepaling van de dynamische factor volgensart. 9.3.3.1 van NEN 6706 (Verkeersbelastingen op bruggen).? De toepassing van een vakwerkligger opgebouwd uit prefab-betonnen onderdelen en stalen trekstaven in plaats van eengesloten middenligger.? De toepassing van vier krachtsgestuurde vijzels per randlig-ger om de prefab-betonligger tijdens het opstorten zo veelmogelijk te ontlasten.? Een toename van de montagegewichten van 277 ton naar325 ton voor de randligger en 640 ton voor de vakwerkliggerin plaats van 400 ton voor de middenligger.? Een verhoging van 12 naar 16 (19-strengs) naspankabels inde trogvloer waarvan per zijde 7 stuks zijn uitgevoerd meteen blinde verankering in verband met ruimteproblemen.Constructieve uitwerking ES en FODe constructies van ES en FO zijn als een bouwpakket samen-gesteld tot een enkelsporige trog. In figuur 5 is de opbouw vande constructie schematisch weergegeven. Het assemblageproceshad grote invloed op het constructief ontwerp. De verschil-lende samen te stellen delen moesten uiteindelijk als ??nmonoliet geheel samenwerken. Daarnaast moesten de gevolgenvan het assembleren van de onderdelen op verschillende tijd-gevolg hiervan was dat de randliggers nog minder hoogmochten zijn (fig. 4) en dat de middenliggers bij DS een openkarakter moesten hebben. Gezien de enorme impact op hetontwerp ontstond hierdoor een vertraging in het ontwerptra-ject van circa vier maanden. Doordat buitendienststellingenniet verplaatsten en productie/uitvoering niet noemenswaardigkon worden versneld, gaf dit een enorme tijdsdruk op de engi-neering van de dekken.In hoofdlijnen had de aanvullende eis de volgende impact ophet ontwerp:? Om de gereduceerde hoogte van de randliggers enigszins tecompenseren, zijn de betonsterkten van het prefab-betonge-344915001350 1500 1350naspanning (?80)naspanning (?100)14 000aanbiedingsontwerpb.s.hartkunstwerk8400160019933122790013503622380gerealiseerd ontwerp343 trogontwerp tenderstadium dubbelsporigetrogbrug (DS)4 wijziging basisvorm fly-overBalanceren op de grenzen van prefab 42014 23overspanning. Het naar binnen verschuiven van de opleggin-gen tijdens het opstorten van de randliggers was niet meervoldoende.Om de spanningstoename in de prefab randligger in die fasete beperken, is vervolgens gekozen voor een gecombineerdeoplossing. Behalve het naar binnen verplaatsen van de opleg-ging met 5,0 m, zijn vier vijzels toegepast in de zone halver-wege de overspanning van de ligger (fig. 7). Voordat de prefabrandligger werd opgestort, werden deze vijzels onder de liggerenigszins op kracht gezet. Tijdens het opstorten van de randlig-ger werd de vijzelkracht vervolgens opgevoerd. Na het verhar-den van de opstort werden de vijzels verwijderd. Daarmee werdeen deel van de belasting ten gevolge van het opstorten gedra-gen door het geheel van prefab randligger en opstort.De vijzelkracht kon met behulp van het rekenmodel in ALPworden bepaald, waarbij de toelaatbare trek- en drukspannin-stippen qua spanningsverdeling en vervormingen in kaartworden gebracht en getoetst. In iedere bouwfase mochten debetonspanningen (trek en druk) in de verschillende onderdelende (norm)grenswaarden niet overschrijden. Tot slot vroeg hetverschillende krimp- en kruipgedrag van de samengesteldeonderdelen en de `herverdeling' van spanningen in de loop vande tijd de nodige aandacht.Spanningen gefaseerd bouwprocesDe opbouw van de spanningen per constructieonderdeel ende invloed van krimp en kruip zijn beschouwd met behulp vande tijdsafhankelijke module van het liggerprogramma ALP(Femmasse, fig. 6). Door het invoeren van de verschillendetijdstappen van het bouwproces en een inschatting voor dekrimp en de kruip van alle onderdelen, werd een goede indrukverkregen van de spanningen in de loop van de tijd.Om de gevoeligheid van de constructie voor een afwijkendeouderdom van onderdelen en het daarmee samenhangendegedrag te onderzoeken, zijn diverse variatiestudies en handma-tige controlesommen gemaakt. Daaruit bleek dat die gevoelig-heid op trelatief beperkt was.Vijzelen prefab randliggersUit de analyse met ALP bleek dat de fase waarbij de prefabrandligger werd opgestort op de bouwplaats zeer kritisch was.Dat was al onderkend in de tenderfase. De situatie was echternog ongunstiger geworden vanwege de afname van deconstructiehoogte van de randligger en de toename van degers stap 2: opstorten randliggers(voorbouwlocatie)aldelene)stap 4: aanbrengen druklaagstap 6: afbouwrs-ningvijzelenvijzelenstap 1: fabricage randliggers(fabriek)stap 2:stap 3: aanbrengen schaaldelen(definitieve locatie)stap 4:stap 6:stap 5: aanbrengen dwars-en langsvoorspanningvijzelenstap 1: fabricage randliggers(fabriek)stap 2: opstorten randliggers(voorbouwlocatie)stap 3: aanbrengen schaaldelen(definitieve locatie)stap 4: aanbrengen druklaagstap 6: afbouwstap 5: aanbrengen dwars-en langsvoorspanningvijzelenvijzelenstap 1: fabricage randliggers(fabriek)stap 2: opstorten randliggers(voorbouwlocatie)stap 3: aanbrengen schaaldelen(definitieve locatie)stap 4: aanbrengen druklaagstap 6: afbouwstap 5: aanbrengen dwars-en langsvoorspanningvijzelenvijzelenstap 1: fabricage randliggers(fabriek)stap 2: opstorten randliggers(voorbouwlocatie)stap 3: aanbrengen schaaldelen(definitieve locatie)stap 4: aanbrengen druklaagstap 6: afbouwstap 5: aanbrengen dwars-en langsvoorspanningvijzelenvijzelenstap 1: fabricage randliggers(fabriek)stap 2: opstorten randliggers(voorbouwlocatie)stap 3: aanbrengen schaaldelen(definitieve locatie)stap 4: aanbrengen druklaagstap 6: afbouwstap 5: aanbrengen dwars-en langsvoorspanningvijzelenvijzelen565 Opbouw enkelsporige trogbrug (ES) en enkelsporige fly-over (FO)6 Spanningsfiguren vanuit ALPBalanceren op de grenzen van prefab4201424gen in de randliggers de grenzen voor de maximaal toelaatbarewaarde van deze kracht bepaalden.Monoliet geheelNaast de gefaseerde bouw en het tijdsafhankelijke gedrag vande constructie was het functioneren van de constructie als ??ngeheel een belangrijk aandachtspunt in het ontwerp. Er zijnverschillende oplossingen toegepast om onderdelen te koppe-len.Om de aansluiting tussen de randligger en de opstort te garan-deren, werd gekozen voor de traditionele oplossing van hetopruwen van het beton in combinatie met de toepassing vanwapening.In de prefab schalen die tussen de randliggers zijn geplaatst,is in de fabriek een profilering aangebracht om de koppelingmet het ter plaatse gestorte deel van de trogvloer te realiseren(foto 8).Voor de aansluiting tussen de trogvloer en de randligger is eenbijzondere oplossing ontworpen. De constructieve koppelingtussen beide onderdelen wordt gevormd door dwarsnaspan-ning, bestaande uit voorspanstrengen die zijn aangebrachttussen de buitenzijden van beide randliggers. Daarnaast is eenprofilering op de randligger in het aansluitvlak tussen de trog-vloer en de randligger toegepast. Deze profilering is in defabriek aangebracht (foto 8). Tussen de trogvloer en de randlig-ger is geen betonstaalwapening aanwezig. De capaciteit van devoeg wordt dus slechts gerealiseerd door de drukspanning tengevolge van de dwarsnaspanning en de profilering in hetaansluitvlak. Op die manier wordt een verbinding gecre?erddie vrijwel volledig onder druk staat en daarmee nauwelijksgevoelig is voor vermoeiing.Van groot belang voor het functioneren van de aansluiting is degrootte van de aanwezige dwarsnaspanning. Deze bepaaltimmers de aanwezige normaaldrukspanning in de voeg. Omdie reden is tijdens het ontwerp nauwkeurig vastgesteld wat deondergrens was van de gerealiseerde voorspankracht. Tijdenshet aanbrengen van de dwarsnaspanning van de eerste dekkenbleek deze waarde echter op sommige locaties niet te wordengehaald vanwege een hogere wrijving. Daarom zijn enkeleaanpassingen gedaan in het spanproces (o.a. tweezijdigspannen en een hogere aanvangsvoorspanning) in combinatiemet enkele aanvullende verfijningen in het rekenmodel.Daarmee kon wel aan de gestelde eisen worden voldaan.De dwarsnaspanning is alleen toegepast in het gedeelte tussende opleggingen van de liggers. In het gedeelte boven de opleg-gingen bleek de toepassing van dwarsnaspanning mindergeschikt, omdat op dezelfde locatie de langsnaspanning moestworden verankerd. Daarom is in die zones de aansluiting gere-aliseerd met koppelankers. Vanwege de lage vermoeiingsgrensmoest een groot aantal ankers worden toegepast; het benodigdeaantal lag op de grens van wat praktisch in de liggers konworden aangebracht. Ter illustratie: voor de langste liggers ginghet voor zowel de boven- als onderzijde van de aansluiting omtwee lagen ?32-90.Vervormingen liggersEen belangrijk aandachtspunt tijdens de montage was hetvervormingsgedrag van de randliggers (met en zonder opstort)op de verschillende tijdstippen. Daarbij ging het enerzijds omde verticale vervormingen in verband met de vereiste zeeg enhet spooralignement. Anderzijds ging het om de horizontalevervormingen van de liggers in verband met de plaatsing vande schalen tussen de liggers. Om de horizontale en verticalevervormingen van de liggers goed in beeld te krijgen, zijn aande hand van spreadsheetberekeningen per fase voorspellingengedaan. Deze berekeningen werden extra complex door de78Balanceren op de grenzen van prefab 42014 251 losse bouwdelen3 samengestelde middenligger incl. voorspanning4 samengesteld dubbelspoor2 stellen bouwdelennatte knoopvolstorten U-bakkenasymmetrische vorm van de geprefabriceerde randliggers enhet gefaseerd bouwen van de randliggers met opstort. De voor-spellingen werden voor elke ligger uiteindelijk getoetst aanpraktijkmetingen van het werkelijke gedrag van de randliggers.Aan de hand van de resultaten van die metingen zijn corrige-rende maatregelen genomen om de vervormingen bij te sturen.Daarbij moet worden gedacht aan het verschuiven van de tijde-lijke opleggingen en het horizontaal vijzelen van de liggers.Uiteindelijk bleek de gevolgde werkwijze succesvol: tijdens demontage van de randliggers en de overige onderdelen waren ergeen noemenswaardige knelpunten.Constructieve uitwerking DSDe dubbelsporige dekconstructie is op eenzelfde wijze als deenkelsporige samengesteld. De enige aanpassing betrof deassemblage van de vakwerkligger die als middenligger fungeert(fig. 9). Deze ligger is vooraf op de bouwlocatie in Den Boschsamengesteld. Daartoe zijn allereerst de prefab-betononderde-len naar de voorbouwlocatie getransporteerd (stap 1) en daaropgebouwd (stap 2). Deze onderdelen betroffen de betonnenU-vormige bakken (buitenbak) voor de onderbalk, betonnendiagonalen en bovenbalken met sparingen ten behoeve van hetrealiseren van een constructieve verbinding en stalen trekstan-gen. De vulling van de U-bakken (binnenbak) voor de onder-balk en de natte knopen tussen de diagonalen en de bovenbalkzijn vervolgens volgestort. Na het verharden is de onderbalk97 Vijzelen randligger8 Voorspankanalen en profilering schalen en randligger9 Samenstellen vakwerk en gehele DSvan de middenligger voorgespannen (stap 3). Tot slot is deconstructie tot een dubbelsporige trog samengesteld met derandliggers en de trogvloer (stap 4).Bij het ontwerp van DS golden in principe dezelfde aandachts-punten als bij ES en FO. Het belangrijkste daarbij was de garan-tie dat de constructie in haar definitieve vorm als ??n monolietgeheel zou functioneren. Doordat de middenligger alsvakwerkconstructie is ontworpen, kon de berekeningswijze vande randliggers niet worden gehanteerd. Voor een dergelijkvakwerk geldt de theorie van een buigligger immers niet (hypo-these van Bernouilli) en kon dus geen gebruik worden gemaaktvan het programma ALP. Het samenstellen van de krachten enspanningen in de verschillende bouwstadia en de beschouwingvan de gevolgen van krimp en kruip op de verschillende tijd-stippen, moesten dan ook met handberekeningen gebeuren.Balanceren op de grenzen van prefab4201426De koppeling tussen de prefab U-bakken en het binnendeel isop een traditionele wijze gerealiseerd. De binnenzijde van deU-bakken is in de fabriek opgeruwd. Samen met wapening inhet aansluitvlak tussen binnen- en buitenbak ontstond eenmonoliete onderbalk. Op die manier kon samen met de aanwe-zige langsnaspanning in de onderbalk (9 19-strengskabels bijde grootste overspanning) voldoende draagvermogen wordengecre?erd.Ook voor de aansluiting tussen de diagonalen en de onder- enbovenbalk is gekozen voor een oplossing met wapening.Daarbij springt vooral het benodigde aantal deuvels tussen deeinddiagonalen en de onderbalk in het oog. Dat was nodigomdat de schuifkracht in het aansluitvlak groot is vanwege derelatief flauwe helling van, en de grote normaaldrukkracht inde einddiagonalen.In de natte knoop bij de tussendiagonalen, de bovenbalk en detrekstaaf werd het detail complexer vanwege de extra wapeningdie was benodigd voor de krachtsinleiding vanuit de stalentrekstaaf in de verschillende onderdelen. Uiteindelijk was een3D-model nodig om de uitvoerbaarheid en werkvolgorde goedte kunnen garanderen (fig. 10).Constructieve koppelingen vakwerkliggerBij de constructieve koppeling tussen de verschillendeconstructie-elementen van de vakwerkligger waren de belang-rijkste aandachtspunten:? de aansluiting tussen de geprefabriceerde U-bakken en hetter plaatse gestorte binnendeel van de onderbalk;? de natte knopen tussen de verschillende onderdelen;? de koppeling met de trogvloer.10 Impressie van deuvelsdiagonalen (a) enwapening natteknoop (b)11 Aansluiting middenligger12 montage middenligger,zichtbaar zijn de voegenvan de afzonderlijke com-ponenten1110a 10bBalanceren op de grenzen van prefab 42014 27Tot slotIn het project Sporen in Den Bosch is een innovatief concepttoegepast voor de trogconstructie. Hierbij is op een slimmemanier gebruikgemaakt van de vele mogelijkheden die geprefa-briceerde constructies bieden. Op detailniveau zijn oplossingenvoor constructieve problemen ontwikkeld, die het conceptverder versterken. Gezien de vereiste overspanningen endimensies werden daarbij meermalen de grenzen van hetconstructief toelaatbare opgezocht. Met recht kan dan ookworden gesteld dat bij dit project is gebalanceerd op de grenzenvan prefab! proJectgegevensproject Sporen in Den Boschopdrachtgever ProRailarchitect marius van den wildenbergopdrachtnemer Heijmans civielconstructief ontwerp algemeen Heijmans Integrale Projecten,movaresconstructief ontwerp bovenbouw wagemaker, Betonsonprefab elementen BetonsonDe aansluiting tussen de trogvloeren en de middenligger was integenstelling tot de aansluiting met de randligger niet te realise-ren met alleen voorspanning. Dat was het gevolg van het feitdat de ligging van de dwarsnaspanning onvoldoende omhoogkon worden gebracht door de aanwezigheid van de langsnas-panning; het volledig wegspannen van het optredende steun-puntsmoment in de aansluiting tussen de trogvloer en demiddenligger was daarom niet mogelijk. Om die reden zijn,naast de dwarsnaspanning en de profilering, koppelankers inhet aansluitvlak toegepast. Vanwege de aanwezige normaal-drukkracht ten gevolge van de dwarsnaspanning kon het aantalkoppelankers wel sterk worden beperkt (foto 11).Uiteindelijk ontstond een middenligger met een totaalgewichtvan 640 ton die in december 2012 door Mammoet met grootmaterieel is gemonteerd met een combinatie van inrijden,invaren, hijsen en schuiven. Na het koppelen met de trogvloeren de randliggers, zijn de drie velden van DS tijdens een grotebuitendienststelling in juli 2013 ??n voor ??n ingeschoven(foto 12).12