thema Fietsboogbrug in UHSB 6 2 0 12 44 thema Fietsboogbrug in UHSB Gemeente Utrecht heeft plannen om een fietsbrug te realiseren over het Amsterdam- Rijnkanaal. Deze brug moet de verschillende fietsroutes tussen Leidsche Rijn en de stad aanzienlijk verkorten. In een afstudeerstudie is onderzocht of deze verbinding als boogbrug kan worden uitgevoerd in vezelversterkt ultra-hogesterktebeton. 1 Constructieve en uitvoeringstechnische mogelijkheden vezelversterkt ultra-hogesterktebeton voor fietsbrug Studies naar fietsbrug De geplande locatie voor de fietsbrug is vlakbij het hoofdkantoor van Strukton, aan de Westkanaaldijk in Maarssen. Deze brug is als uitgangspunt gekozen voor een afstudeerwerk aan de Hogeschool Rotterdam, dat in dit artikel wordt gepresenteerd. Als vervolg op de UHSB-casestudie 'Fietsbrug Nigtevecht', eveneens een brug over het Amsterdam-Rijnkanaal, is voor deze fietsbrug ook een ontwerp 'Het Oog' gemaakt door industrieel ontwerper Rogier de la Rive Box. Dit ontwerp wordt besproken in het artikel 'Eigen vormtaal dankzij UHSB', elders in deze uitgave. Rogier de la Rive Box over de afstudeerstudie: "Het interessante van de studie van Reinalt Polinder en Matthias Mast is dat hieruit het verschil in ontwerpbenadering zichtbaar wordt. Mijn benadering gaat uit van de unieke kenmerken van UHSB, hun benade - ring van een 'archetype'. Doordat hun voorstel daardoor ook in staal zou kunnen worden uitgevoerd, biedt het de mogelijkheid om beide materi- alen met elkaar te vergelijken. Een belangrijk criterium voor de keuze van UHSB is de kostprijs en met name de 'total cost of ownership' over een periode van ? stel ? 50 jaar. Het zou dan ook zinvol kunnen zijn om dezelfde analyse voor zowel dit materiaal als voor staal uit te voeren." Fietsboogbrug in UHSB6 2 0 12 45 De afstudeerstudie heeft indicaties opgeleverd over de omvang, inpassing en haalbaarheid van een boogbrug met een over­ spanning van 100 m. Voor elk onderdeel van de boogbrug was het toepassen van vezelversterkt ultra­hogesterktebeton (UHSB) het uitgangspunt. Omschrijving materiaal en samenstelling UHSB (of vvUHSB) is een hightech composiet materiaal, inter­ nationaal bekend als Ultra High Performance Concrete (UHPC) of Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC). Dankzij de verhoogde druksterkte, ongeveer 200 MPa, taaiheid en duurzaamheid is het een materiaal met veel mogelijkheden. Bij de uitgewerkte studie is uitgegaan van een mengsel van het merk Ductal. Dit omdat dit al veelvuldig is toegepast en er derhalve veel informatie over beschikbaar is. In tabel 1 staat de samenstelling van het materiaal. Tabel 2 toont de mechanische eigenschappen waarmee is gerekend. Deze komen overeen met het rekenmodel zoals weergegeven in [1]. Romein Beton heeft bij de Gooisebrug recent ervaring opgedaan met een goed­ koper mengsel met een lagere druksterkte (ca. B150) [2]. Aangezien elementen van UHSB alleen onder geconditioneerde omstandigheden kunnen worden gemaakt, bestaat de brug uit prefab elementen. Omschrijving ontwerp Het ontwerp gaat uit van een plaatdek op dwarsdragers die met hangstangen hangen aan twee onderling gekoppelde bogen. In figuur 2 is een 3D­afbeelding van dit ontwerp weergegeven. Plaatdek Een plaatdek met een dikte van 300 mm is als brugdek toege­ past. Dit plaatdek overspant in lengterichting en is centrisch voorgespannen. De horizontale component van de spatkracht uit de boog wordt afgedragen op het plaatdek. Hierdoor ontstaat een samenwerking tussen de boog en het dek. Als gevolg daarvan verdelen de momenten zich over boog en dek. De stijfheid van het dek is echter veel lager dan die van de boog. Hierdoor trekt de boog het grootste gedeelte van het moment (bij asymmetrische belasting) naar zich toe (fig. 3). Als voorspanning in het dek zijn vijftien kabels toegepast, opgebouwd uit 22 strengen Ø15,7. De 7­draads strengen in staalkwaliteit Y1860 hebben een doorsnede van 150 mm 2. ing. Reinalt Polinder, ing. Matthias Mast 1), ir. Rob Vergoossen Royal HaskoningDHV 1 Fasering van de fietsboogbrug in UHSB: nadat het dek is gebouwd en voorgespannen is, worden de boogspanten op het dek gebouwd 2 3D-impressie van de brug over het Amsterdam- Rijnkanaal 3 Momentenverdeling 1) Reinalt Polinder en Matthias Mast zijn afge- studeerd met het onderzoek naar het toepas- sen van vezelversterkt ultra-hogesterktebeton in een fietsboogbrug aan de Hogeschool Rotterdam, opleiding Civiele Techniek. In de afstudeercommissie hadden zitting: ing. M.A. Govers, ing. S.G. van Rosmalen, ir. R.P.H. Vergoossen en ing. G.J. Verkerk. Tabel 1 Samenstelling toegepast Ductal-mengsel cement (kg/m 3) 710 kg/m 3 silica fume (kg/m 3) 230 kg/m 3 kwartspoeder (kg/m 3) 210 kg/m 3 zand 0-2 mm 1020 kg/m 3 staalvezels (lengte 13 mm) 156 kg/m 3 (2%) plastificerende hulpstof 13 kg/m 3 water 140 l/m 3 soortelijke massa 2522 kg/m³ water-bindmiddelfactor 0,15 water-cementfactor 0,20 Tabel 2 Mechanische eigenschappen toegepast Ductal-mengsel benaming symbool waarde karakteristieke kubusdruksterkte f ck;cube 200 N/mm 2 karakteristieke cilinderdruksterkte f ck 170 N/mm 2 rekenwaarde druksterkte f cd 113 N/mm 2 karakteristieke waarde maximale trekspanning f ctk;0,05 8 N/mm 2 rekenwaarde treksterkte bij ontstaan eerste scheur f ctd1 5,3 N/mm 2 rekenwaarde treksterkte bij w = 0,30 mmf ctd2 6,4 Nmm 2 gemiddelde waarde elasticiteitsmodulus E cm 50 000 N/mm 2 rekenwaarde elasticiteitsmodulus E cd = fcd / ?c3 49 750 N/mm 2 partiële materiaalfactor ? bf 1,5 2 3 thema Fietsboogbrug in UHSB 6 2 0 12 46 1 350 675 675 500 500 675 675 500 500 175 175 1 350 ankerplaat 440 x 440 Ø254 verstelbare verankering TSR Stay Cable System sparing t.b.v. spannen hangstangen Ø225 Ø225 In figuur 5 is de verankering in de boog te zien. Er is een gedeelte in de boog massief gemaakt om de verankering in aan te kunnen brengen en de krachten op de boogdoorsnede af te dragen. In de figuur staat tevens de aansluiting van een dwars­ verband weergegeven. Dwarsverbanden Tussen de twee boogspanten worden in totaal negen dwars­ verbanden geplaatst. Deze dwarsverbanden worden met stekken en gains verbonden met de twee boogspanten. Uitvoering De brug, bestaande uit prefab elementen, kan bij de Meern­ brug, tussen de A2 en het Amsterdam­Rijnkanaal, worden geassembleerd. De volledig geassembleerde brug kan worden ingevaren op de uiteindelijke plek van bestemming. Eerst zal het dek worden geassembleerd. De opbouw van het dek is weergegeven in figuur 7. De uiterste elementen die op het landhoofd rusten, wijken af qua vorm. Dit omdat hier de verankeringen van zowel de boog als het dek zijn aangebracht (fig. 6). Nadat het dek is geassembleerd, kan de voorspanning worden aangebracht. Ten behoeve van de duurzaamheid van het voor ­ spanstaal zullen de prefab dekelementen, net als de boog­ elementen, aan elkaar worden gelijmd. Ter plaatse van de landhoofden komen de voorspanelementen uit de boog 'samen' met de voorspanning in het dek. Om ruimte te maken voor de voorspanning uit de boog zijn de Dwarsdragers De belastingen van het plaatdek worden afgedragen op geïnte­ greerde dwarsdragers. Aan deze dwarsdragers zijn hangstangen bevestigd. De dwarsbalken, met afmetingen 800 x 500 mm, zijn behalve vezelversterkt ook traditioneel gewapend. Het materi­ aal zou beter benut kunnen worden door slankere dimensies toe te passen, maar er zijn minimumafmetingen nodig om de hangstangen te kunnen verankeren. Boogspanten De overspanning van de boogbrug bedraagt 104 m. De hoogte van de boogspanten ten opzichte van de booggeboorten is 26 m. De boogspanten zijn vierkante kokers met een uitwen­ dige maat van 1350 mm (fig. 4). Per boogspant zijn tien dezelfde elementen toegepast, waardoor een hoge repetitie van de mal wordt gehaald. Doordat (buig)trekspanningen in de boog optreden en omdat de boogelementen met elkaar moeten worden verbonden, is voorspanning toegepast. In de koker zijn acht kabels toegepast, opgebouwd uit twaalf strengen Ø15,7. Hangstangen Voor de hangstangen wordt een systeem van het bedrijf Tensacciai toegepast. Dit systeem is het 'TSR Stay Cable System'. De strengen die worden toegepast bestaan uit zeven getordeerde draden (Y1860) met een nominale diameter van 15,7 mm en een oppervlakte van 150 mm 2. Er wordt een veran­ kering toegepast waar twaalf strengen in kunnen worden geplaatst. In de boogconstructie wordt een spanverankering toegepast en in de dwarsbalken een blinde verankering. 4 5 Fietsboogbrug in UHSB6 2 0 12 47 30509210 12260 1730 860 870 300 570 4 Doorsnede van het boogspant 5 Verankering hangstangen in de boog 6 Dekelementen ter plaatse van het landhoofd 7 Bovenaanzicht dek De hangstangen worden vanaf de boog voorgespannen. Dit zorgt voor extra druk in de boog en een extra trekkracht in het dek. In deze fase wordt nog steeds het hele dek ondersteund om buigende momenten in het dek te voorkomen. Nadat de volledige voorspankracht is aangebracht, zal de gehele onder ­ steuningsconstructie worden verwijderd. Nadat de hangstangen zijn aangebracht, worden hekken geplaatst aan de randen en wordt het brugdek gebruiksklaar gemaakt. Hierbij wordt een laag van epoxy aangebracht voor het rijdek. Asfalt hoeft niet te worden toegepast bij UHSB. Leermomenten voor de praktijk Optimaliseren benutten materiaal De grootste uitdaging bij UHSB is hoe het materiaal het best kan worden benut. Vanwege de kosten van het materiaal moet worden voorkomen dat de hoge toelaatbare druksterkte niet optimaal wordt benut. Dit speelt vooral bij op buiging belaste elementen. Indien de vezels als wapening moeten functioneren, of als traditionele wapening wordt toegepast, kan het materiaal niet optimaal worden benut. Immers, druksterke is alleen van belang in de drukzone. Dankzij de hoge toelaatbare druksterkte kan de drukzone weliswaar klein worden, waardoor de inwendige hefboomsarm groot wordt, maar dit effect is maar minimaal. ankerkoppen van de dekvoorspanning verder naar achter geplaatst (fig. 8). De toegepaste elementen zijn 7,3 m breed en circa 10 m lang. Deze elementen zullen dan ook over water moeten worden vervoerd. Een alternatief zou zijn de elementen in breedterich­ ting smaller te maken zodat vervoer over de weg mogelijk is. Deze mogelijkheid is niet uitgewerkt. Nadat het dek is gebouwd en voorgespannen, worden de boog­ spanten op het dek gebouwd (fig. 1). Het dek zal volledig ondersteund worden, evenals de boogspanten. De onder­ steuning onder het dek wordt pas verwijderd nadat de hele brug klaar is. Tussen de beide bogen worden negen dwarsverbindingen als windverband gerealiseerd. Net zoals bij het dek worden de boogelementen en de dwarsverbindingen prefab geleverd. Gains en stekken worden gebruikt om de prefab boogelemen­ ten met de dwarsverbanden te verbinden. Nadat de boogelementen zijn geassembleerd, wordt de voor ­ spanning aangebracht. De boog wordt in eerste instantie zodanig voorgespannen dat deze stabiel blijft wanneer de ondersteuningsconstructie wordt verwijderd. Vervolgens kunnen de hangstangen worden aangebracht; de verankeringen zijn al in de boog meegestort. 6 7 thema Fietsboogbrug in UHSB 6 2 0 12 48 300 150 150 8 Voorspanning ter plaatse van het landhoofd 9 Door het spannen en de boogvorm wordt de voor - spanning naar beneden getrokken spanning. Een nadeel van deze oplossing is dat de hoge druk­ sterkte van het materiaal niet optimaal wordt benut. Het materiaal zou beter worden benut als de oppervlakte van de doorsnede minder groot wordt en aan de binnenkant van de koker externe voorspanning aangebracht kan worden. In dit geval moet de voorspanning regelmatig goed worden bevestigd met de koker. Door het spannen en de boogvorm wordt de voorspanning namelijk naar beneden getrokken (fig. 9). Een eventuele oplossing is het toepassen van rechte elementen die samen een boog vormen. Deze oplossing is eerder toegepast in Oostenrijk [3]. Door deze hoekelementen massief te maken, wordt voorkomen dat de voorspandraden naar beneden worden getrokken. Vanwege tijdgesprek in de afstudeerstudie is deze variant niet verder onderzocht. ? Een voor de hand liggende keuze is om voor te spannen. Het nadeel hiervan is dat er veel voorspanning nodig is om een grote druk aan te brengen. En vanwege de slanke constructie kan de voorspanning maar beperkt excentrisch in het beton worden aangebracht. Trekspanningen in de boog De normaalkracht in de boog ten gevolge van het eigen gewicht is laag door de slankheid van het dek. Door asymmetrische variabele belasting (fig. 3) ontstaan ook grote buigende momenten in de boog. Als er ook relatief slanke boogspanten worden toegepast, kunnen er gemakkelijk hoge (buig)trek­ spanningen in de boog ontstaan. De combinatie van drukkracht en moment (die omklapt van teken) zorgt ervoor dat het nodig is voorspanning toe te passen. Ook kan de doorsnede van de boog dusdanig worden aangepast dat de trekspanningen worden verlaagd door een hoger oppervlaktetraagheidsmoment en dus meer materiaal. Bij het ontwerp is uitgegaan van een (centrisch) voorgespannen boog. Vanwege de duurzaamheid van de voorspankabels is ervoor gekozen de oppervlakte van de betondoorsnede zodanig groot te maken dat er voldoende ruimte is voor deze voor­ ? LiteR atuuR 1 Ketel, H., Willemse, R., Rijen, P. van & Koolen, E., Rekenmodel VVUHSB. Cement 2011/3. 2 Kok, A., Vaart, F. van der, Steen, G. van der, Gholizadeh Gonbadani, A. & Overbeek, J., Slanke brug met ZHSB. Cement 2011/2. 3 Wapperom, H., Boogbrug in UHSB. Cement 2010/4. 4 Du Pon, M., (Door)startdocument Fietsbrug Amsterdam-Rijnkanaal, december 2010. 5 De la Rive Box, R., Het Oog: voorstel voor een fietsboogbrug over het Amsterdam-Rijnkanaal, 2011. 8 9