28 Gewapend op zettingen Voor de aansluiting van de verbrede N33 met de A28 bij Assen worden diverse kunstwerken gerealiseerd. Een daarvan is kunstwerk 04. Dit kunstwerk is op staal gefundeerd waardoor de zettingen en zettingsverschillen een belangrijke rol spelen. Om deze reden is een pergolaconstructie ontworpen die via een pendelconstructie is gekoppeld aan het landhoofd. De opbouw van de constructie leidde in het ontwerp tot een onbruikbaar hoog aantal belastingscombinaties. Door de regels op een verantwoorde manier te vereenvoudigen, bleek er toch een bruikbare berekening mogelijk. 1 Aansluiting verbrede N33 op A28 bij Assen Gewapend op zettingen 7 2014 29 De N33, die loopt vanaf de A28 bij Assen via Zuidbroek tot de Eemshaven (fig. 2), is een belangrijke weg voor het vrachtverkeer van en naar de haven. Op deze tweebaansweg wordt het vracht- verkeer veelvuldig ingehaald, wat leidt tot gevaarlijke verkeerssitu- aties. Om de verkeersveiligheid, doorstroming én bereikbaarheid van de regio te vergroten, wordt de weg over het gedeelte tussen Assen en Zuidbroek omgebouwd tot een autoweg met tweemaal twee rijstroken. Dit betreft een traject van 38 km. De aansluiting van de N33 op de A28 bij Assen-Zuid wordt omgebouwd tot een volwaardig verkeersknooppunt. Bij de aansluiting met de A7 bij Zuidbroek zorgt een klaverbladcon- structie voor een optimale verbinding. Verder wordt op diverse locaties het onderliggende wegennet ter plaatse van de aanslui- ting op de N33 geoptimaliseerd, onder meer door de aanleg van rotonden. De werkzaamheden voorzien ook in het verbete- ren van bestaande en de aanleg van nieuwe faunapassages. Kunstwerk 04 Bij de vernieuwing van het knooppunt Assen-Zuid wordt de aansluiting van de autoweg N33 op de autosnelweg A28 losge- koppeld van de verbindingswegen. Een van de nieuwe ongelijk- vloerse kruisingen binnen dit knooppunt is kunstwerk 04 (KW04, fig. 4). KW04 vormt de verbinding tussen de N33 vanuit Zuidbroek naar de toerit op de A28. Het oorspronkelijke ontwerp ging uit van een kort kunstwerk op twee steunpunten. Deze statisch bepaalde constructie was in staat de opgelegde (rest)zettingen te volgen. Na gunning is in overleg met welstand een vormgeving vast- gesteld waarbij, vanwege de gewenste openheid enerzijds en de scherpe kruisingshoek anderzijds, werd uitgegaan van een pergolaconstructie met schuin daaroverheen het dek. Het maaiveld naast de N33 ligt hier op een hoogte van onge- veer NAP +11 m en de N33 zelf ligt verhoogd op ongeveer NAP +17 m. De toerit van het kunstwerk vanuit het oosten loopt omhoog tot ongeveer 4 m boven het bestaande weg- niveau ter plaatse van het oostelijke landhoofd. Vervolgens overspant het kunstwerk, op meerdere steunpunten van de pergolaconstructie, de zuidelijke rijbaan van de N33 (fig. 5). Het kunstwerk heeft een totale lengte van ongeveer 70 m en komt bij het westelijke landhoofd uit. Het wegniveau bij het westelijke landhoofd ligt ongeveer op 6,5 m boven het bestaande wegniveau en 12,5 m boven het maaiveld. Aangezien het kunstwerk op staal wordt gefundeerd, zijn de (rest)zettingen en (rest)zettingsverschillen tussen de diverse delen van het kunstwerk belangrijk. De (rest)zettingsverschil- len bleken te groot te zijn. Daarom is gekozen voor een aanpas- sing van het ontwerp door het toevoegen van een extra 'pendel- veld' aan de westzijde van de pergola. Door het toepassen van dit extra veld schuift het grondlichaam op waardoor de belas- tingen en daarmee de zettingen ter plaatse van de pergolacon- structie beperkt blijven. Het zettingsverschil tussen het weste- lijke landhoofd en de pergola wordt nu opgevangen door het pendeldek. Ondergrond De kern van de ophoging van de N33 zelf bestaat grotendeels uit zand, met in de berm afdekgrond. In tabel 1 is de bodem- opbouw weergegeven. Op basis van laboratoriumonderzoek zijn de kenmerkende eigenschappen van de verschillende lagen afgeleid. Zowel de leemlaag als de potkleilaag zijn zwaar over - geconsolideerd. Het polderpeil ligt aan de zuidzijde van de N33 op ongeveer 1 m onder maaiveld. Ruben Albada Jelgersma BAM Infraconsult/ Geoconstruct ing. Gerco-Kees Bloemsma Arcadis Folkert van Schagen EPC Poort van Noord v.o.f. 1 Kunstwerk 04 (KW04) in de steigers; op de voorgrond het tussensteunpunt op as B 2 N33 vanaf Assen via Zuidbroek naar de Eemshaven bron: OpenStreetMap 2 Eemshaven Gewapend op zettingen 7 2014 30 3 Werkzaamheden knooppunt Assen-Zuid vanuit de lucht gezien, rechts kunstwerk 04 foto: Rijkswaterstaat4 Overzicht van het knooppunt en kunstwerk 04bron: OpenStreetMap Het landhoofd wordt op staal gefundeerd op een gewapende grondconstructie met een talud 1:1 in lengterichting van het kunstwerk. De ophogingen ter plaatse van de landhoofden worden uitgevoerd op nog niet eerder belast terrein. Hierdoor ontstaan in een diepgelegen, dikke laag potklei grote zettingen. Bovendien worden de eindzettingen pas na lange tijd (> 20 jaar) bereikt. De zettingen zijn berekend op ongeveer 0,28 m ter plaatse van het westelijke landhoofd. Hiervan zal naar verwachting onge- veer 0,08 m in de eerste 3 maanden optreden, daarna zal het landhoofd worden gebouwd en zal de zakking nog ongeveer 0,20 m bedragen. Op basis van het uitgevoerde grondonderzoek is een beeld van de variatie in grondgesteldheid vastgesteld. In figuur 6 en 7 is respec- tievelijk de zakking en de verticale contactdruk (verticale korrel- spanning) aan de onderzijde van de constructie weergegeven na belasting door eigen gewicht van de constructie. Te zien is de vari- atie in contactdrukken voor het betreffende landhoofd. Met de zakking in combinatie met de verticale contactdruk- ken zijn de beddingsconstanten samengesteld. Uit figuur 7 kan worden afgeleid dat in het midden een lagere bedding moet worden aangehouden. Op basis van de verdeling van de contactdruk en de zakking is hier geadviseerd de fundering in breedterichting in drie beddingszones van respectievelijk circa 3, 6 en 3 m breedte te verdelen. Hierbij wordt voor de middelste zone 60% van de gemiddelde bedding toegepast en voor de randen 140% van de gemiddelde bedding. Voor de lage en hoge representatieve waarde van de bedding zijn deze waarden nog respectievelijk gedeeld en vermenigvuldigd met een factor ?2, conform NEN-EN 9997-1 (Geotechnisch ontwerp van constructies, algemene regels). Analoog hieraan zijn ook de beddingsconstanten onder de overige construc- ties bepaald. Tabel 1 Geotechnisch profiel bovenkant laag bodembeschrijving N33, landhoofd noordoost + tussensteunpunten NAP [m] landhoofd zuidwest NAP [m] MV (? 17) zand, ophoging 11,0 MV (? 11,0)zand, los tot matig vastgepakt 10,3 ? 8,5 8,7leem 9,0 ? 5,3 7,0zand, vast tot zeer vastgepakt 5,5 ? 0,0 3,6potklei -7,0 ? -12 -12zand, vastgepakt -26 -23maximaal verkende diepte 3 4 Gewapend op zettingen 7 2014 31 lengte landhoofdlengte landhoofd spanning zetting 6 7 zuidelijke rijbaan N33 pergolaconstructie 5 Bovenaanzicht kunstwerk 04 6 Zetting na belasting door eigen gewicht van de constructie 7 Verticale contactdruk na belasting door eigen gewicht van de constructie De norm NEN-EN 1991-2 'Belastingen op Bruggen' stelt dat, afhankelijk van de breedte van het kunstwerk, maximaal drie laststelsels moeten worden geplaatst en dat deze laststelsels niet noodzakelijkerwijs in dezelfde dwarsdoorsnede moeten worden gesitueerd. Dit houdt in dat bij de plaatsing van drie laststelsels het mogelijk is dat deze stelsels in drie verschillende overspanningen moeten worden geplaatst. Bij een 'gewone' constructie bij een dek op twee of drie steunpunten is het evident dat bij de bepaling van het maximale veldmoment de drie stelsels in het dekmidden moeten worden geplaatst. Bij de onderhavige pergolaconstructie, met circa dertig steunpunten onder het dek en afwisselend lange en korte overspanningen in de langs- en dwarsrichting, is het niet mogelijk vooraf de meest ongunstige positie voor een laststelsel te kiezen. Ook het gebruik van invloedslijnen is niet praktisch, omdat voor veel verschillende punten invloedslijnen of vlakken moeten worden geproduceerd en geïnterpreteerd. Modellering Voor de berekening van de constructie is een 3D-model opge- steld (fig. 8). Omdat de krachten in de poeren en het dek afhankelijk zijn van de optredende zettingen, en de belastingen op de verschillende kolommen en poeren afhankelijk zijn van de belastingen en vervormingen van het dek, is besloten de gehele constructie in dit model mee te nemen. Hierin zijn het dek en de funderingspoeren opgebouwd met plaatelementen en de kolommen opgebouwd met staafelementen. In het model zijn ter plaatse van de aansluitingen tussen de kolommen en de poeren en de kolommen en het dek, eerst cirkelvormige sparingen in de poer en het dek aangebracht. Deze sparingen zijn opgevuld met een betonnen cirkelvormige plaat van gelijke grootte. Omdat het dek ter plaatse van de kolom niet zal krommen, is het mogelijk plaatselijk met hogere stijfheden te rekenen en zorgt het daarnaast voor eenvoudiger uitlezen van de krachten- en spanningenplots. Het dek is opgebouwd uit een plaat met orthotrope eigenschap- pen. Belastingen De funderingspoeren zijn opgelegd op een verende bedding. Aan de veren kunnen geen verplaatsingen worden opgelegd. Bovendien is de zakking niet alleen afhankelijk van de inge- voerde beddingen, maar ook van de stijfheid van de constructie als geheel. Daarom is de opgelegde zetting ingevoerd als een neerwaarts gerichte eenheidsbelasting op de poeren. Deze belasting varieert langs de poer met het toenemen van de zettingen tussen de verschillende locaties onder de poer. Zo zijn de zettingen aan de westzijde groter en is de aangebrachte eenheidsbelasting ook groter. Hierna is iteratief de grootte van de 'zettingsbelasting' bepaald. 5 25,00 24,00 23,00 22,00 21,00 20,00 19,00 18,00 17,00 16,00 25,00 24,00 23,00 22,00 21,00 20,00 19,00 18,00 17,00 16,00 -8,00 -7,00 -6,00 -5,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00\ 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 -8,00 -7,00 -6,00 -5,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00\ 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 Gewapend op zettingen 7 2014 32 momenten [kNm] normaalkrachten [kN] krachten in kolommen UGT opneembaarMyMyMres -1500,0 -1000,0 -500,0 0,0 500,0 1000,0 1500,0 -2500,0 -2000,0 -1500,0 -1000,0 -500,0 0,0 8 3D-rekenmodel weergegeven met werkelijke dikten. Geel is dek, rood is onderbouw 9 Optredende krachten (momenten en normaalkrachten) in de kolommen bij alle mogelijke combinaties 10 Wapeningsmomenten m yD groter dan 225 kNm; in witte gebieden kan worden volstaan met standaardwapening den in het opsplitsen in drie sets verschillende belastingsgevallen (één set gevallen voor elke rijstrook). Hierdoor hoeven slechts 3 ? 70 = 210 belastingsgevallen te worden ingevoerd waarna de sets kunnen worden gecombineerd. Voor elke rijstrook zijn tandem- stelsels van 600 kN ingevoerd waarna deze voor rijstrook twee respectievelijk drie zijn vermenigvuldigd met 0,67 respectievelijk 0,33 teneinde voor de tweede en derde rijstrook, conform de norm, een laststelsel met een gewicht van 400 kN en 200 kN te verkrijgen. Door uit te gaan van een stapgrootte van 1 m geldt bij een lengte van het in het werk gestorte dek van 70 m, dat er 70 verschillende posities van een laststelsel mogelijk zijn. Omdat er ruimte is voor drie rijstroken (tussen de geleiderails is het dek ruim 10 m breed) resulteert dit in 70 ? 70 ? 70 = 343 000 belastingsgevallen. Het werken met een dergelijk groot aantal belastingsgevallen (al of niet automatisch aangemaakt) is onpraktisch en rekentechnisch nauwelijks uitvoerbaar. De oplossing voor dit probleem is gevon- Tabel 2 Belastingcombinaties formule (2) formule (1)formule (2)formule (1) geval M rep [kNm] factor ?M BGT [kNm] ? M BGT [kNm] ? M UGT [kNm] ? M UGT [kNm] eg eigen gewicht 126 1261261,5189 1,35 170 rbas asfalt 22 22221,5 331,35 30 rbov rustend 5 551,5 81,35 7 p2Md p-last stroken 2 en 3 190,8150,8 151,5 291,5 29 N67 tandemstelsel strook 3 480,33 0,8 130,8 131,5 241,5 24 M66 tandemstelsel strook 1 12410,8 990,8 991,5186 1,5186 Z65 tandemstelsel strook 2 830,67 0,8 440,8 441,5 831,5 83 p1d p-last strook 1 260,8210,8 211,5 391,5 39 T- e temperatuur lineair 10,80,80,30,3 T-k temperatuur gradiënt 60,850,3 1,8 350 347590567 8 9 10 Gewapend op zettingen 7 2014 33 311 2 1 13 14 extra onderwapening loodrecht op as 1 11 Extra dwarswapening in veld ter plaatse van hogere veldmomenten uitkomsten staan in tabel 2. De gevonden waarde voor het bruikbaarheidsgrensmoment bedraagt bij formule (2) 350 kNm. Bij gebruik van formule (1) (volgens de norm) geldt een kracht van 347 kNm. Dit betekent dus een overdimensio- nering van 0,8%. In de uiterste grenstoestand wordt met formule (2) een waarde gevonden van (exclusief temperatuurlasten) 590 kNm. Norma- tief (formule (1)) moet worden gerekend op 567 kNm. Dit geeft dus een overdimensionering van 4%. Omdat de bruikbaar - heidsgrenstoestand maatgevend is, is deze vereenvoudiging geen probleem. Combinaties Voor de toetsing van de constructie zijn scheurwijdten en het draagvermogen getoetst. Normaal gesproken wordt voor de toetsing op scheurwijdte gebruikgemaakt van de frequente belastingscombinatie. Hierin wordt het overheersende belas- tingsgeval gereduceerd: ?G + P + ? 1 Qk 1 + ?? 2 Qki (1) In dit geval moeten nu de overheersende drie belastingsgeval- len worden gereduceerd. Dit kan het rekenprogramma niet aan. Er is voor gekozen uit te gaan van de volgende combinatiefor - mule: ?G + P + ?? 1 Qki (2) Formule (1) geeft iets lagere krachten in de constructie dan de eenvoudiger te hanteren formule (2). De opdrachtgever heeft de kunstwerken ingedeeld in gevolg- klasse 2. De uiterste grenstoestand wordt gevonden door de BG-combinatie in zijn geheel te vermenigvuldigen met ? = 1,5. Ook dit betekent een vereenvoudiging van de regels in de norm, waar de permanente belastingen mogen worden verme- nigvuldigd met ? = 1,35. Om de consequentie van deze vereenvoudiging te bepalen, zijn de uitkomsten van formule (1) en (2) met elkaar vergeleken. De Uitvoering knooppunt Assen Naast kunstwerk KW04 zijn voor het knooppunt Assen ook de kunstwerken Duiker Anreeperdiep (KW01), Verdiepte ligging knooppunt Assen (KW02) en Viaduct Assen-Zuid (KW03) gereali- seerd. In het risicobeheersplan voor het gehele knooppunt is vastgelegd de N33 al tijdens de bouw veiliger te maken. Dit is onder andere gerealiseerd door ervoor te zorgen dat tijdens de bouwfase van knooppunt Assen geen kruisend verkeer aanwezig is. Hiertoe zijn twee rotonden aangelegd, waarvan één tijdelijk. Om de kunstwerken 02, 03 en 04 te kunnen bouwen, is een weg- fasering bedacht waarbij een groot bouwterrein ontstaat waar de kunstwerken (buiten het verkeer) kunnen worden gebouwd. In de zomer van 2013 is deze fasering in een aantal stappen gereali- seerd. Als eerste stap is een tijdelijke weg aangelegd, inclusief rotonde, langs KW02. Het verkeer richting Hoogeveen gaat verder over een tijdelijke weg, waarna rotonde De Haar is aangelegd. Ten slotte is de tijdelijke verkeerssituatie in gebruik genomen (fig. 13). Na ingebruikneming van de tijdelijke situatie bleek de omlegging van de rijstroken over een baan (de 2-0 situatie) op de N33, te weinig ruimte te bieden om het kunstwerk (en vooral de Terre Armée toerit) veilig te kunnen bouwen. In overleg met de opdrachtgever en de stakeholders is besloten ook het verkeer vanuit Groningen over de tijdelijke rotonde te laten rijden, zodat er een extra rijstrook beschikbaar kwam. De uitvoering van KW04 vond plaats van oktober 2013 tot en met mei 2014 en gebeurde in verschillende bouwstromen. Enerzijds de Terre Armée en het landhoofd in as C en anderzijds het in het werk gestorte dek, en de gewapende grond en het landhoofd in as A. Omdat het in het werk gestorte dek de meeste bouwstappen bevatte, was deze leidend in de planning. Dankzij een milde winter heeft de bouw weinig onwerkbaar weer gekend en waren de werkzaamheden op tijd gereed om het kunstwerk half juni 2014 te kunnen openstellen voor verkeer. 11 Gewapend op zettingen 7 2014 34 moment m x [kNm/m] elementnummer mx;minmx;maxsprong m x -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0,0 500,0 1000,0 1500,0 2000,0 2500,0 3000,0 element: 387 12 Het maximale en minimale moment in het dek en de verschillen tussen beide 13 Tijdelijke verkeerssituatie tijdens bouw KW04 In figuur 10 is een krachtenplot weergegeven met (op de y-as) wapeningsmomenten groter dan 225 kNm (trek aan de onder - zijde). Op die plekken is een extra onderwapening in dwars- richting gekozen (fig. 11). Vermoeiing In figuur 12 is voor elk element uit de eindige-elementen- berekening van het dek, het maximaal en minimaal optredende moment m x weergegeven, alsmede de verschillen tussen beide momenten. Zo is te zien dat de maximale momentsprong optreedt in element 387 en circa 170 kNm bedraagt. Na het absoluut optellen van de wringmomenten ontstaan de krachten m xD (maximaal en minimaal) waarmee de vermoeiingstoets is uitgevoerd. De optredende spanning in het betonstaal bedraagt ? F;fat ? ?? s;equ = 52 MPa, terwijl de toegestane span- ningswisseling volgens NEN-EN 1992 artikel 6.8.4 (voor rechte staven en een aantal spanningswisselingen van 250 ? 10 6) ?? Rsk / ? S;fat = 77 MPa bedraagt. Wat betreft vermoeiing zijn er dus geen problemen te verwachten. Tot slot De grote zettingen, de vele mogelijke belastingsconfiguraties en de uitvoeringsplanning hebben voor grote uitdagingen gezorgd tijdens het ontwerp. Toch is het gelukt om tezamen met 28 andere nieuwe kunstwerken een duurzaam ontwerp neer te leggen. Minister Schultz van Haegen van Infrastructuur en Milieu heeft 29 september 2014 de verdubbelde N33 officieel geopend. ? ? PROJECTGEGEVENS project N33 Assen-Zuidbroek opdrachtgever Rijkswaterstaat contractvorm Design Build Finance Maintain opdrachtnemer Poort van Noord (BAM PPP) Toetsing Kolommen De kolommen worden vooral belast op normaalkracht en buiging. Normaaldrukkrachten verkleinen de trekspanningen in het wapeningsstaal waardoor de momentcapaciteit iets kan toenemen. In figuur 9 zijn voor de uiterste grenstoestand de optredende kolomkrachten weergegeven met de normaalkracht langs de x-as en de momenten langs de y-as. De resulterende kolomkrachten (M res) (volgen uit het Pythagoriaans optellen van M y en M z) zijn ook te zien, net als de opneembare momen- ten volgend uit de kolomdiameter en de hoeveelheid toegepaste wapening (gele gebied). Voor alle voorkomende combinaties van normaalkracht en buigend moment is hiermee aangetoond dat de capaciteit van de doorsnede voldoende is om de optre- dende krachten te kunnen opnemen. Dek Ter plaatse van de kolommen is op basis van de krachtsverde- ling gekozen voor een bovenwapening in het dek Ø25-100 + Ø20-100 (in de tweede laag) in beide richtingen. Rondom de kolommen is ook een beugelwapening voorzien ten behoeve van het opnemen van de dwars- en ponskrachten. In gebieden waar de optredende krachten kleiner zijn, kan deze beugelwa- pening worden gereduceerd. 12 13 Gewapend op zettingen 7 2014