Fietsbrug in UHPFRC20132Fietsbrug inUHPFRCOverdenieuwerijksweg A4 ophettrac?Steenbergen ?Dinteloordis een fietsbrug voorzien. Een middensteunpunt is hier niet toege-staan, wat resulteert in een relatief grote overspanning van 60 m.Gecombineerd met een maximaal toegestane constructiehoogtevan 1,60 m vraagt dit om een inventieve oplossing. In een afstu-deerstudie is het ontwerp in vezelversterkt ultra-hogesterktebeton(UHPFRC) uitgewerkt. Mede op basis van een uitgebreide varian-tenanalyse is gekozen voor voorgespannen prefab kokerliggers.1Afstudeerstudie naar toepassing vanUltra High Performance Fiber Reinforced ConcreteENCIStudieprijs2012Dit is het zevende en laatste artikelin een serie met bijdragen vanprijswinnaars van de ENCIStudieprijs 2012. De studie die indit artikel wordt beschreven, kreegeen eervolle vermelding in decategorie Hogescholen en ontvingbovendien de publieksprijs op deBetondag 2012. Zie ookwww.cementonline.nl/encistudieprijs.Fietsbrug in UHPFRC 2013 3De uitbreiding van rijksweg A4 bij Steenbergen is de laatsteontbrekende schakel in de autosnelwegverbinding tussenAmsterdam, Rotterdam en Antwerpen. Deze uitbreiding leidtniet alleen tot een snellere en veiligere verbinding voor (vracht)verkeer tussen deze drie steden, ook zal het lokale wegennetworden ontlast. De realisatie van het nieuwe traject brengtverschillende kunstwerken met zich mee. E?n daarvan (KW8)is een fietsverbinding ter hoogte van Klutsdorp. Deze verbin-ding bestaat uit een viaduct dat de A4 bovenlangs zal kruisen.Oorspronkelijk bestond het ontwerp van het viaduct uit tweeoverspanningen van circa 30 m. Omdat het toepassen van eentussensteunpunt later niet meer was toegestaan, ontstond eenzeer grote overspanning van 60 m. Een bijkomende eis was demaximale constructiehoogte van het dek van 1,60 m. Decombinatie van de grote overspanning tezamen met de geringeconstructiehoogte waren aanleiding de toepassing vanUHPFRC te onderzoeken.Uitgangspunten ontwerpDe opdrachtgever heeft een aantal ontwerpuitgangspuntenvoorgeschreven. De belangrijkste zijn:? KW8 moet het ongelijkvloers kruisen van de fietsverbindingKlutsdorp over de A4 mogelijk maken.? Het kunstwerk moet zonder tussensteunpunten wordenuitgevoerd.? Er moet een betonnen dekconstructie worden gerealiseerd.? De breedte van de fietsverbinding moet worden afgestemd opeen in twee richtingen bereden fietspad.? Het kunstwerk moet een levensduur van 100 jaar hebben.? De toe te passen traditionele wapening moet bestaan uitsterkteklasse B500B.? De toe te passen voorspanning moet bestaan uit sterkteklasseY1860S7 en strengen (eventueel kabels) van ?15,7 mm meteen individuele oppervlakte van 150 mm2.? Voor alle constructieve elementen moet een dekking van50 mm worden gehanteerd.? De volgende milieuklassen moeten worden gehanteerd:? bovenzijde brugdek / schampkanten, XC4, XD3, XF4;? onderzijde brugdek, XC3, XD1, XF2.Constructieve materiaaleigenschappenUHPFRC is een materiaal in ontwikkeling. Dit betekent ondermeer dat materiaaleigenschappen en rekenregels nog niet in devigerende regelgeving zijn opgenomen. Voor het ontwerpmoest dus van andere bronnen worden uitgegaan. In (recente)literatuur worden eigenschappen van UHPFRC beschreven enaanbevelingen gedaan voor de toepassing van het materiaal,onder meer de AFGC-Setra [1], de Australische richtlijn VSL[2] en de Model Code [3]. Diverse richtlijnen en aanbevelingenzijn met elkaar vergeleken [1-8], om te komen tot een zo volle-dig mogelijk pakket van materiaaleigenschappen en rekenre-gels. Uitgewerkt zijn de druksterkte, treksterkte (gescheurd enongescheurd), elasticiteitsmodulus en het spanning-rekdiagram(gedrukte en getrokken zone).Uitwerking elasticiteitsmodulusAls voorbeeld wordt hier de uitwerking van de elasticiteitsmo-dulus beschreven. Deze wordt in de literatuur op verschillendewijzen berekend. Zo stelt de VSL dat deze een waarde van 50GPa heeft op basis van een door Lafarge ontwikkeld mengsel(Ductal). De AFGC-Setra en de Model Code nemen een factormee afhankelijk van de vulstof die wordt toegepast, respectie-velijk k0en E. NEN-EN 1992 (Eurocode) geldt feitelijk nietvoor dit materiaal omdat de Eurocode is opgesteld voor betontot sterkteklasse C90/105. Hierin is ook geen factor meegeno-men die afhankelijk is van de vulstof. Voor de vergelijkingwordt de NEN-EN 1992 toch meegenomen. De uitkomsten vande bepaling van de E-modulus van beton met sterkteklasseC170/200 volgens de verschillende methoden staan in tabel 1.ing. Pleun Mijnsbergen1)Student TU Eindhoven,fac. Bouwkunde, Structural Design1 Werkelijk ontwerp voor de fietsbrug over de A4 in aanbouwfoto: beeldbank.rws.nl, Rijkswaterstaat / Joop van Houdt1) Pleun Mijnsbergen en Dani?l Castrop zijn met hun afstudeerscriptie `Fietsbrug inUltra High Performance Fiber Reinforced Concrete' afgestudeerd aan de AvansHogeschool, studierichting Civiele Techniek. Zij werden daarbij begeleid doorC.A.M. Tak PMSE (Witteveen+Bos) en ir. R.E.M. van Oosten (Avans Hogeschool,'s-Hertogenbosch). Het afstudeeronderzoek is uitgevoerd bij Witteveen+Bos.Tabel 1 Berekening secans elasticiteitsmodulus (C170/200)AFGC-Setra VSL (Australi?) Model Code NEN-EN 1992( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=1( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=13170 821500 1,010ciE+=56136ciE MPa=,32200010DcmcmfE =,317822000DcmE =( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=13170 821500 1,010ciE+=56136ciE MPa=,32200010DcmcmfE =,31782200010DcmE =52185cmE MPa=( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=13170 821500 1,010ciE+=56136ciE MPa=,32200010DcmcmfE =,317822000DcmE =( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=13170 821500 1,010ciE+=56136ciE MPa=,32200010DcmcmfE =,31782200010DcmE =52185cmE MPa=( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=1( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=13170 821500 1,010ciE+=56136ciE MPa=,32200010DcmcmfE =,3178D( )130 cjE k f=( )138800 226E =53630E MPa=50000cE MPa=1310ckci c0 Ef fE E +=13170 821500 1,010ciE+=56136ciE MPa=,32200010DcmcmfE =,31782200010DcmE =52185cmE MPa=Fietsbrug in UHPFRC2013422,30 3,00 []-5,00-6,000,10--113,00c[MPa]C170/200(UHPFRC)C90/105C70/85C50/60C40/50C20/252 Spanning-rekdiagram van betonsterkteklasse C170/200zijn voor deze sterkteklasse dezelfde proefresultaten gebruiktals voor C170/200, die via interpolatie zijn omgezet naarwaarden voor C115/135.VariantenstudieVoor de fietsbrug zijn zowel de doorsnede als de keuze voor desterkteklasse bepaald op basis van een variantenstudie.DekdoorsnedeVoor de dekdoorsnede zijn drie varianten onderzocht: 1) eenTT-doorsnede, 2) losse kokerliggers en 3) een tweecelligekokerligger. Alle drie de varianten zijn uitgewerkt tot voorlopigontwerp (VO). Op basis van de eerdergenoemde materiaalei-genschappen voor beton C170/200 zijn de volgende toetsenuitgevoerd om de meest slanke doorsnede te bepalen:? doorsnedeberekening in bruikbaarheidsgrenstoestand(daarmee wordt het aantal voorspanstrengen in de doorsnedebepaald);? controle van de doorbuiging (BGT-berekening);? doorsnedeberekening uiterste grenstoestand (breukmoment);? controle op de rotatiecapaciteit (UGT-berekening);? controle op dwarskrachtcapaciteit (UGT-berekening).De uiteindelijke doorsnede is vastgesteld aan de hand van eenmulticriteria-analyse. Daarbij zijn de volgende criteria getoetst:? uitvoerbaarheid;De secans elasticiteitsmodulus kan worden bepaald met devergelijking uit NEN-EN 1992. Deze komt het meest overeenmet de waarde uit de Australische richtlijn voor C170/200,waaraan zoals gezegd proefresultaten voor Ductal ten grond-slag liggen.De formule uit de AFGC-Setra is niet voor alle mengsels vantoepassing. De k0-waarde is gegeven voor slechts enkele speci-fieke mengseltypen, waardoor deze formule in dit geval niet ergpraktisch is.Overige materiaaleigenschappenVoor twee sterkteklassen zijn op basis van diverse normen ookandere materiaaleigenschappen bepaald. Deze materiaaleigen-schappen zijn samengevat in tabel 2. Er is uitgegaan van tweebetonsterkteklassen C115/135 en C170/200, zodat in een laterstadium de gunstigste betonkwaliteit kon worden gekozen.Figuur 2 toont een spanning-rekdiagram waarin de eigen-schappen van C170/200 vergeleken worden met andere sterkte-klassen.De eigenschappen van het materiaal zijn erg mengselafhanke-lijk. Dit geldt vooral voor de treksterkte waarbij de toegepastevezels erg belangrijk zijn. Om de treksterkte te bepalen, moetde buigtreksterkte bekend zijn. Deze waarde zal fluctueren bijverschillende mengsels.In de AFGC-Setra staat vermeld hoe de buigtreksterkte experi-menteel moet worden bepaald. Dat geschiedt met de buigtreks-terkte van de betonmatrix (ongescheurde doorsnede) en debuigtreksterkte bij een voltooid scheurpatroon (scheurwijdtevan 0,3 mm).Lafarge heeft experimenten uitgevoerd met het mengselDuctal. Deze resultaten worden in dit afstudeeronderzoekgebruikt voor betonsterkteklasse C170/200. Voor betonsterkte-klasse C115/135 waren geen resultaten beschikbaar. DaaromTabel 2 Materiaaleigenschappen per betonklasseeigenschap symbool C115/135 C170/200 eenheidkarakteristieke kubusdruksterkte fck,cube135 200 MPakarakteristieke cilinderdruksterkte fck115 170 MPagemiddelde cilinderdruksterkte fcm123 178 MParekenwaarde druksterkte fck76 113 MPagemiddelde treksterkte van beton fctm7,19 10,9 MParekenwaarde treksterkte van beton fctd;13,35 5 MPagemiddelde treksterkte van vezelversterkt beton fctm9,76 16,28 MParekenwaarde treksterkte van vezelversterkt beton fctd;23,65 6 MPasecans elasticiteitsmodulus Ecm46 52 GPafictieve elasticiteitsmodulus Ecm43 50 GParek bij plastisch vervormen c31,8 2,3 rek bij betonstuik cu33 3 rek bij eerste scheur ct0,07 0,1 rek bij scheurwijdte van 0,3 mm ct;D,3- - rek bij breuk ctu- - Fietsbrug in UHPFRC 2013 50100200300400500600C115/135 C170/200weerstand tegen aanrijdingduurzaamheidkostenafmetingen van het dekuitvoerbaarheidweerstand tegen aanrijdingduurzaamheidkostenafmetingen van het dekuitvoerbaarheid050100150200250300350400450TT losse kokers tweecellige kokerwaardevandescore[-]waardevandescore[-]343 Resultaat van de multicriteria-analyse van de dekdoorsnede;(1) TT, (2) losse kokers en (3) tweecellige koker4 Resultaat van de multicriteria-analyse voor de betonkwaliteit;(1) C115/135 en (2) C170/200Alvorens de doorsnedeberekening te kunnen maken, zijnaannamen uit de variantenstudie uitgewerkt. Het gaat daarbijom de volgende onderwerpen:? voorspanverliezen, direct optredend en tijdsafhankelijk;? zwaartepunt van de voorspanstrengen;? afmetingen van de flenzen.De doorsnedeberekening is vervolgens uitgewerkt, getoetst enontworpen (lokaal) op de volgende punten:? aanrijdbelasting;? scheurwijdte;? gedrukte flens onder centrische druk;? momenten op de kop;? inleiden van krachten.De definitieve doorsnede is weergegeven in figuur 5 en 6.? afmetingen van het dek: constructiehoogte, gewicht en voor-spanning;? kosten: materiaalgebruik en uitvoering;? duurzaamheid dwarsdoorsneden tijdens gebruiksfase;? weerstand tegen aanrijding / robuustheid.De resultaten van de analyse zijn opgenomen in figuur 3. Opbasis van deze analyse is variant 2 (losse kokerliggers) als defi-nitieve doorsnede verder uitgewerkt. Met de losse kokerliggerskan slanker worden geconstrueerd dan met beide andere vari-anten. Dit komt voornamelijk door de gestelde eis met betrek-king tot doorbuiging. De doorbuiging van de losse kokerliggersis kleiner door de hogere stijfheid van deze doorsnede. Ditresulteert uiteindelijk in een winst van 100 mm constructie-hoogte ten opzichte van de tweecellige kokerligger en een winstvan 200 mm ten opzichte van de dubbel T-ligger. Verder heeftde dubbel-T-variant eenzelfde hoeveelheid strengen als de lossekokerliggers, terwijl de eerste een veel lager eigen gewicht heeft.Ook dit komt doordat de losse kokers stijver zijn.Sterkteklasse C115/135 versus C170/200Alvorens de definitieve variant (losse kokerliggers) verder werduitgewerkt, is de invloed van de betonsterkte onderzocht.Uitvoering in C115/135 en C170/200 zijn met elkaar vergele-ken. De doorsnede van de kokers zelf is daarbij van belang.Bijvoorbeeld de benodigde dikte van de onderflens om devoorspanning aan te brengen. Ook hier is een multicriteria-analyse uitgevoerd, waarbij dezelfde criteria als voor dedekdoorsnede zijn gehanteerd.De resultaten zijn samengevat in de figuur 4. Deze analyse geeftaan dat variant 2 (C170/200) de beste keuze is. Criteria alsweerstand tegen aanrijding, duurzaamheid tijdens gebruiksfaseen uitvoerbaarheid dragen nauwelijks bij aan het verschil inscore, omdat deze onderling aan elkaar gelijk zijn. Vooral deafmetingen van de doorsnede blijken doorslaggevend.Constructief ontwerpIn het constructief ontwerp is de optimale variant verder uitge-werkt: losse kokerliggers met een betonkwaliteit van C170/200.Voor het constructief ontwerp zijn details getoetst en zijn deaannamen van de doorsnedeberekening van het VO explicietberekend. De constructiehoogte (1100 mm) is bepaald in hetvoorlopig ontwerp.Fietsbrug in UHPFRC20136asSteenbergseweg