IWEGENBOUW IMATERWEN IVOORSPANNING IEERSTEPRAKTIJKTOEPASSINGVANARAPREEGELUIDSCHERM LANGS DE A 20, TE SCHIEDAMir.L.A.M.Groenewegen. HEG-Speurwerk en Ontwikkelingir.L.J.Oostlander. HWZProject Ontwerp BureauArapree is een composiet van .aramide en epoxyhars,speciaal ontwikkeld voor toepassing alsvoorspanelement in beton. Met dit nieuwe materiaalzijn eind vorigjaar 90 stijlen geproduceerd voor eengeluidscherm langs de A 20 in de gemeente Schiedam.Het ontwerp van het scherm en de factoren die hebbengeleid tot de keuze van de met Arapree voorgespannenstijlen worden toegelicht. Materiaaleigenschappen enervaringen completeren deze eerste praktijktoepassingvan een nieuw materiaal.B? estrijding van geluidhinder be-hoort tot de prioriteiten in hetbeleid van het Ministerie vanVROM. De Wet Geluidhinder dateertvan 1979 en is dwingend van toepassingverklaard met betrekking tot verkeers-lawaai. De uitvoering ervan is opgedra-gen aande gemeenten, dievoor saneringvan bestaande situaties subsidie kunnenaanvragen bij VROM.De bewoners van de Schiedamse wijkBijdorp, gelegen naast de zeer drukkeautosnelweg A 20 Hoek van Holland -Rotterdam, ondervinden veel overlastvan het verkeerslawaai. Zij hebben de56gemeente &evraagd maatregelen te ne-men (foto 1).In opdracht van de gemeente Schiedamis een akoestisch onderzoek uitgevoerd.De gemeten geluiddruk bedroeg 75dBA, wat een ruime overschrijding vande wettelijke norm betekent. De ge-meente heeft de lokatie tijdig aange-meld bij VROM als saneringsobject metals resultaat, dathetis opgenomeninhetMeerjaren Uitvoeringsprogramma Ge-luidhinderbestrijding (MUG), realise-ringsperiode 1987/1988.De geluidbeperkende constructie be-staat uit een geluidscherm, direct langsde A 20. Rijkswaterstaat direktie Zuid-Holland, de toekomstige beheerder eneigenaar van de constructie, verrichttein opdracht van de gemeente de nood-zakelijke voorbereidingen.De akoestische randvoorwaarden, bij-voorbeeld hoogte en lengte van hetscherm zijn bepaald door het akoesti-sche adviesbureau Cauberg en Huygen.Het architectenbureau OD 205 heefteen visueel ruimtelijke analyse uitge-voerd voor het omschrijven van de eisenmet betrekking tot de vormgeving.Op basis van deze gegevens heeft het ar-chitectenbureau OD 205 eenschetsont-werp gemaakt, dat bij presentatie op dewettelijk voorgeschreven inspraakbij-eenkomst ook voldeed aan de wensenvan de belanghebbenden.Naar aanleiding van dit positieve resul-taat begon RWS met het voorbereidenvan de aanbesteding.Op dat moment werd gezocht naar eenproefobject voor het produkt Arapree.Bestudering van het schetsontwerp gafals resultaat, dat met name de stijlenvanhet scherm, te plaatsen in de aardebaan,hiervoor een goede mogelijkheid bo-den.De redenen voor deze keuze zijn:- stijlen zijn voortdurend toegankelijkvoor inspectie;- agressief milieu vanwege dooizoutenen uitlaatgassen;- beheerste risico's,zonder directgevaarvoor de omgeving;- beperkte constructieafmetingen. Tentijde van de fabricage van de stijlenwas Arapree slechts leverbaar in leng-ten tot 10 m. (Inmiddels is Arapree 'oprol' verktijgbaar);- er konden direct veel elementen wor-den geproduceerd waardoor meteenbij de eerste toepassing een behoorlij-ke praktijkervaring met Arapree konworden opgedaan;- seriematig produkt, dat met bestaan-de middelen eenvoudig is te produce-ren. Het principe van de stijl: een1 Geluidscherm langs de AZO teSchiedam, gezien vanafdebewonersijdeCement 1989 nr. 5BegroeibaarschermToegepast wordt een voorgeschrevenconstructie bestaande uit een A-frame,voorzienvan eenbeplantingvanwilgen.Het A-frame bestaat uit een draagcon-structievan geconserveerd naaldhouteneen beplating van stalen golfplaten.De stijlen ter plaatse van de viaductenbestaan uit stalen kokerprofielen, ther-misch verzinkt en gecoat. De niet trans~parante beplating bestaat uit Trespa.mingendoorw?ndbelasting te beperken(foto 6).Transparant scherm op kunstwerkenIn het wegvak zijn twee viaducten aan-wezig, waarover de geluidbeperkendevoorziening diende door te lopen. Zoalsmeestal is de bdijning van de schamp-kanten afvvijkend van die van het ge-luidscherm. Er is gekozen voor hetdoortrekken van de belijning van hetgeluidscherm en de verschillen te corri-geren in de bevestiging van de stijlen opde viaductrand.Voor de transparante beplating op dekunstwerken is gekozen voor translu-cent PMMA. Translucent wil zeggenlichtdoorlatend en niet doorschijnend.In de praktijk betekent dit dat de con-touren van een object alleen te zien zijn,indien het object zich direct naast hetPMMA bevindt.vormgeving ontstaatvoor de automobi-li~t een goed gezichtsveld op de omge-vmg.Lengteprofiel geluidschertIl metaansluiting op viaductvoorgespannen betonnen heipaal,waarvan hetvoorspanstaal en de addi-tionele wapening zijn vervangen doorArapree (foto 2).2 Op de kop van de stijlen zijn deAparee-elementen zichtbaar3Beschrijving geluidschermHet geluidscherm heeft een hoogte van3,5 m en bestaat uit een transparant ge-deelte (lengte ca. 260 m) eneen begroei-baar scherm (lengte ca. 290 m). Hettransparante gedeelte staat onder eenflauwe hoek metde wegenwordt op re-gelmatige afstand (ca. 50 m) teruggebo~gen naar de weg (fig. 3). Door dezeTransparant scherm in aardebaanDe fundering bestaat uit een open bui~spaal van onbehandeld staal. Bij de di-mensionering hiervan is rekening ge-houden met corrosieverlies. In de buis iseen betonprop gestort voor de bevesti-ging van de stijl.De onderzijdevan hetgeluidscherm be~staat uit een ondoorzichtige beplatingvan gewapend beton. Voor het geluid~scherm wordt een traditionele geleide-r-~~~~~~~~~~~~~~.....,..,., rail-constructie geplaatst waardoor hetniet zinvol is om op deze hoogte trans-parant materiaal te gebruiken. De be-tonplint wordt tussen de stijlen ge-plaatst, waarbij maatregelen nodig zijnom kantelen te voorkomen. Gekozen isvoor een visbek-constructie bestaandeuit een strip Lage Dichtheid PolyEthy-leen (LDPE), met roestvaststalen in-steekankers bevestigd aan de stijlen eneen sponningin de betonplinten (foto 4).De reden van deze keuze wordt toege-licht bij de dimensionering van de stijl.Voor de transparantebeplating is helderdoorzichtig PolyMethylMethAcrylaat(PMMA) gekozen. De vlakke platen zijngeplaatst in een sponning in de beton-plint en de betonstijl. De plaat heeftgeen oplegging aan de bovenrand (foto5). Voor de gebogen platen is echter weleen bovenrand toegepast, om de vervor-4 Voor het bevestigen van debetonplinten zijn LDPE-strippenI11et roestvast stalen ankers op de stijlen.aangebracht5 Montage van de vlakkedoorzichtige platenCement 1989 nr. 5 57I_WE~_G_E_NB__O_OW I_MA:_TERIALE_N ~__IVOORSPANNINGWEGZIJDEBEWONERSZIJDEDOORSNEDE B-BDOORSNEDE A-ADoorsnede betonstijl7Opbouw geluidscherlll lllet enkeledetails8Produktie ArapreeTwaron is een garen met een diametervan ca. 12xlO-3mmoBij de produktie vanArapree worden vele duizendenvan de-ze zogenaamde fllamenten (ragf~nedraden) samengevoegd tot een bundelvan parallel liggende vezels. Vervolgenswordt tussen de fllamenten een epoxy-hars geperst; op het oppervlak van debundel wordt een wafelstructuur aan-gebracht ter verbetering van de aan-hechting met het beton. Ten slottewordt het aldus verkregen composietonder verhitting uitgehard.Bij de produktie van de stijlen voor hetgeluidscherm is gebruik gemaakt vanrechthoekige elementen waarin200.000 fllamenten aanwezig zijn. Een0NOl.,mIN 0., "t NNOl.,0N0.,I45,75OPEN BUISPAAL.. tn.9500;x6LENGTE 5000lln220A75AI 45 ,80VENZIJDEBETOJIPLAATaOVENZIJDE6 Plaatsen van een gebogen plaat.Ter beperking van devervormingen door windbelasting zijndeze van een bovenregel voorzienArapree. een voorspanelernentAraptee (ARArnid PREstressing Ele-ment) is een composiet bestaande uit dearamidevezelTwaron en eenepoxyhars.Dit nieuwe produkt is het resultaat vaneen jarenlang onderzoek uitgevoerddoor Akzo en HEG, waarbij tevensproeven zijn uitgevoerd bij onderzoeks-instituten als TNO, het Stevin-labora-torium van de TU-Delft, het Magnel-laboratorium van de RU-Gent en hetresearchlaboratorium van ENCr.BetonstijlenHet gedeelte van het transparantescherm waarbij in de stijlen Arapree istoegepast, bedraagt ca. 200 ffi. Op derechte stukken staan de stijlen 2,14 mhart op hart. De stijlen aan weerszijdenvan de gekromde platen hebben eendoorsnede van 320x320 mm2; de ab:ne-tingen van de stijlen op de rechte stuk-ken bedragen 220x220 mm2(fig. 7-8).De stijlen zijn over een lengte van 500mm in de buispalen aangegoten metgrout; de uitkraging van het scherm be-draagt 3,7 m.Aramide gedraagt zich nagenoeg line-air-elastisch en het type garendat thansin Arapree wordt toegepast heeft eenE-modulus van 125-130 kN/mm2? Ho-gespanningen in de vezels gaan dus ge-paard met relatief grote vervormingenin vergelijking met staal. Bij de toepas-sing van Twaron in plaats van staal alspassievewapening kan hierdoorhetver-vormingscriterium maatgevend wor-den. De goede sterkteeigenschappenI--~-----~----------' van Twaron worden in dat geval in on-De opmerkelijke mechanische eigen- voldoende mate benut.Bij de toepassingschappen in combinatie met de goede van aramide als voorspanmateriaalchemische resistentie vormden de aan- wordt dit effectondervangen. Het geza-leiding tot het onderzoeken van de mo- menlijke onderzoek van Akzo en HBGgelijkheden van de nieuwe vezel Twa- spitste zichdan ook toe op de ontwikke-I-_~~_~ --I ron als wapeningsmateriaal. ling van voorspanelementen.Zo heeft Twaron een treksterkte bijkortdurende belasting die ca. 50% hogerligt dan de waarde van voorspanstaal. Integenstelling tot voorspanstaal is Twa-ron ongevoeligvoor corrosie. Als nade-lige eigenschapgeldthet gedragbij tem-peraturen hoger dan ca. 200 oe. Bovendeze waarde verliest de epoxy hars zijnsterkte.Devezel zelfbehoudtechterzijnsterktetotca. 300 oe.Metnameindeve-rankeringszone waar de hars schuif-spanningen overdraagt, dienen tempe-raturen hoger dan 200?C te wordenvermeden. Bij lage temperaturen ver-toontArapree een bijzonder gunstig ge~drag. Desterkteafnamebij een tempera-tuur van -196?C ten opzichte van desterkte bij kamertemperatuur bedraagtongeveer 15%.58 Cement 1989 nr. 5? waarde betrokken op vezeldoorsnede en niet op bruto stripdoorsnede.Tabel 1Karakteristieken van Arapree, voor een element met 200 000 fdamenten indoorsnedeafmetingenaanhechdengtegemiddelde treksterkteE-modulusgemiddelde breukrekthermische uitzettingsco?ffici?ntGeldende waarden voor strippen geluidschermaanspanuiveauwerkvoorspankrachtoppervlak20 x 2,7 mm2ca. 120 mm67kN125-130 kN/mm2'2,4%-1.8xlO-?lI?K32kNca. 26 kNgeprofileerd; profiel Type Cdoor deze fenomenen zijn enkele maat-regelen genomen:- over de laatste 200 mm is over de stripeen spiraal (ook van Arapree) aange-bracht. Bij eventuele scheurvormingworden de splijttrekkrachten door de-ze wapening opgenomen;- de hechting ?ver de laatste 50 mm isverminderd door het aanbrengen vaneen tape om de strip.In het thans lopende onderzoekwordenactiviteiten ontplooid om het stripop-pervlak(en de stripvorm) zodanig aan tepassen dat dergelijke maatregelen toteen minimum beperkt kunnen blijven.STRESSCHAR. ULT. STRENGTHARAPREE PRESTRESSINGSTEEL70 (%) (%)10060 90805070.. 40 6050304020 302010101\lCJ6 107NUMBER OF CYCLESProduktie stijlenDe stijlen zijn geproduceerd bij Schok-industrieBVin Zwijndrecht. Dit bedrijfis ook betrokken in het onderzoek enhad dus reeds ervaring met het voor-spannen van Arapree. Tijdens het on~derzoek bleek dat beschikbaar voor-spanmaterieel gelet op de vorm en sa-menstelling van Arapree niet zondermeer konwordengebruikt.Eris derhal-ve eenspeciaal anker ontwikkeld dat hetmogelijk maakt Arapree tot op het ver~eiste niveau aan te spannen zonder ge-vaar voor slip of ontoelaatbare span-ningsconcentraties. Dit zogenaamdeCleton-anker bestaat uit een stalen co-nus en aantal polyamidewiggen (fOto JO).Bij de produktie van de stijlen werd hetCleton-anker vervolgens met een kop-pelstuk aan de spanzijde verbonden meteen normaal anker voor voorspanstren-gen. Zodoende kon gebruikwordenge-maakt van de bestaande vijzels voor hetspannen van de elementen. Inmiddels isookonderzoek gaande om te komen totspeciaal op Arapree toegespitste vijzels.Foto 11 geeft een impressie van de pro-duktie van de stijlen.104 2.104 5.104 10SvSTRESS r=:>.,--,,' REQUIRED FATIGUE STRENGTH(N/mm2j I-__..,-_r-_....-....:FO::::;:R=P=R:;ESTR=E=S=S;::IN=G~STE~::E.:..L-,-_--,.--,2000 \doorsnede die de rekenwaarde voor debetontreksterkte overschrijden. Bij detoepassing van Arapree als enige wape-ning is dit echter geen toetsingscrite-rium meer als het gaat om bezwijkvei-ligheid.Arapree corrodeert immers niet.Het accepteren van scheurvorming inde gebruiksfase leidt bij een wisselendebelasting toteenvergrotingvan de span-ningsrimpel in hetwapeningsmateriaal.Ook met betrekking tot dit aspect blijktArapree een aanmerkelijk gunstiger ge-drag te vertonen dan voorspanstaal. Infiguur 9 zijn ter illustratie hiervan enigeresultaten van vermoeiingp?Oeven opArapreevergeleken metdeeisendie metbetrekking tot dit criterium aan voor-spanstaal worden gesteld.Een rechthoekige geprofileerdef200.000 strip heeft een korte over-drachtslengte. Een nadeel hiervan is datde splijtspanningen in de verankerings-Ontwerp stijlen zone groter zullen worden dan bij eenDe stijlen kunnen worden geschemati- vergelijkbare (gladde) draad van voor-seerd tot uitkragende liggers. De aan te spanstaal. Het gevaat voor scheurvor-houden windbelasting bedraagt 1,25 ming wordt bovendien nog versterktkN/m2? De gebruiksbelasting op een door de rechthoekige vorm die een ze-stijl in het rechte gedeelte van het kere kerfvverking in het verankerings-scherm wordt hiermee 2,7 kN/m. Uit gebied tot gevolg heeft. Ter beperkingde dimensionering volgt nu dat een van het gevaar voor scheurvorming 9 Resultaten vancentrische voorspanning met 8 strippen ,-__~ .L- v_ermo_e?1_?n~g_s_p_r_o_ev_e_n_o~p_Ar_a_p_re_e_---lf200.000 voldoet. Daarbij is uitgegaanvan een karakteristieke treksterkte van62 kN per strip.Zoals blijkt uit figuur 7 en foto 4 is desponning in de stijlen niet tot de in-klemming doorgetrokken. Deze keuzeis gemaakt ter beperking van de schuif-spanningen door dwarskracht in dezezone.Uit de controleproefbleekdatde karak-teristieke kubusdruksterkte na 28 dagen63 N/mm2bedroeg. De rekenwaardevoor de treksterkte wordt hiermee vol-gens de VB bij benadering 2,5 N/mm2?Bij een centrische voorspanning van 4,2N/mm2(P""IAc ~ 8x26x103/49280) eneen buigend moment door de windbe-lasting ter grootte van 18,5 kNm, leidtdit tot spanningen in de uiterste beton-dergelijk type Arapree wordt dan ookaangeduid als een f200.000 element.Inmiddels zijn er diverse typen Arapreebeschikbaarvari?rend van flO.000 tot enmet f200.000 elementen met rechthoe-kige en ronde doorsneden. Een recht-hoekig f200.000 elementheeft als afme~tingen 20x2,7 mm2en een netto vezel-doorsnede van 22,2 mm2?In tabel 1 zijn enkele karakteristiekenvan zo'n element aangegeven.Zoals uit deze tabel kanworden afgeleidis er bij toepassingvan rechthoekigeele-menten met een oppervlakteprofiel'Type C' sprake van een korte aanhecht-Iengte. Deze elementen zijn dus uitste-kend geschikt om op aanhechting methet beton te worden verankerd. Daarbijmoet wel worden gecontroleerd of desplijtspanningen geen aanleiding geventot ontoelaatbare scheurvorming. Hier-op wordt nog ingegaan.Cement 1989 nr. 5 59!wEGENBOUW IMATERlALEN IVOORSPANNING10 Bovenaanzicht in de 1l1al voor de produktie van 4stijlen; het Cleton-anker verzorgt de overdra?ht vanArapree naar voorspanstreng11 Aanbrengen van de voorspanning; dankzij detoepassing van de Cleton-ankers is dit 1l1ogelijk 1l1etde bestaande vijzelsIkJ;?LkLDJ;k3700 mmLiteratuur1. Ministerie van Verkeer en Waterstaat,concept R?chtlijnen voor Geluidbeper-kende Constructies langs Wegen(R?chtlijnen GCW 1986), 19862. LJ.Oostlander, Geluid achter deschermen - vervolg; Cement 1987 nr. 73. JH.K?hne, Arapree vervangt voor-spanstaal; Cement 1988 nr. 104. A.Gerritse en HJ.Sch?rhoff, Prestres-sing with Aramid Tendons, 10th FIP-congress New Delhi, 19865. A.Gerritse en].Werner, Arapree, theprestressing element composed ofresinbonded Twaron fibres; brochure vanHEG en AKZO, september 19886. A.Gerritse, Prestressing with Arapree,the artificial tendon;Ecole National desPonts etChauss?es, Conference des ma-t?riaux nouveaux pour la pr?contrainteet Ie renforcement d'ouvrages d'art, Pa-rijs, .oktober 19887. A.Gerritse, Voorspannen met arami-de; Cement 1986 nr. 7, pp. 44 - 45- de produktie van niet-magnetisch ofniet-geleidend voorgespannen beton;- in zwaar agressieve milieus (mestop-slag, aanwezigheid zouten, construc-ties in de getijdenzone);- de toepassing in poreuze ofverontrei-nigde materialen;- de toepassing als grondanker.De toekomst voorspellen is lastig, maarhetis duidelijk datdit nieuwevoorspan~materiaal eigenschappen heeft die degrenzen van het construeren in voorge-spannen verlegt.14 ~?nzicht ge1uids?hertn vanafderijwegVerdere toepassingHet gebruik van Arapree als voorspan-element in de stijlen van het geluid-scherm nabij Schiedam was de eerstetoepassing. Inmiddels isArapree ookge-bruikt als voorspanelement bij enkeleonderdelen van het Huis van de Toe-komst in het Autotron in Rosmalen. Deopleveringvanditprojectvindtplaats injuni 1989. Aan de introductie van Ara-pree -is inmiddels derhalve alweer eenvervolg gegeven.Het is de verwachting dat bij de verderetoepassingen van Arapree meer en meerde specifieke voordelen zullen wordenbenut. Die voordelen kunnen ondermeer leiden tot:- het dunner construeren dank zij deongevoeligheid voor corrosie;- het gebruik als uitwendige voorspan-ning zonder noodzaak tot corrosiebe~scherming;(fOto 12). In figuur 13 is het resultaat vandeze proefaangegeven. De stijl voldeedruim aan de sterkteeisen. De bezwijkbe-lasting was een factor 2,4 groter dan demaximale gebruiksbelasting. Zoals uitde figuur blijkt, bedroeg de doorbui~ging van de stijl vlak voor het momentvan bezwijken 110 mm (ca. 0,03 x de uit-kraging). Bovendien blijkt de doorbui-ging van het uiteinde na het ontstaanvan de eerste scheur aanmerkelijk toe tenemen. De gemiddelde scheurafstandbedroeg ongeveer 150 mmo100 1257660zakking uiteinde {mm]2'Resultaat van de proefbelastingbelasting IkN/mI1312 Detail van de proefbelasting opeen 1l1et Aratnidevoorgespannen stijlDestijlis tot slotaande bovenzijde afge-smeerd ter voorkoming van vorstscha-de.Beproeving stijlOp een extra vervaardigde stijl is con-form het bestek een proef uitgevoerd.Daarbij werd de stijl ingeklemd omver-volgens stapsgewijs de gelijkmatig ver-deelde belasting tot breuk op te voeren60 Cement 1989 nr. 5