? bruggenbouw ? onderzoek?ir.P.Wagenaar, Koninklijke Aannemingsmaatschappij Van Drunen bv, 's-Hertogenbosching.N.Kaptijn, Bouwdienst Rijkswaterstaatdr.ir.C. van der Veen, Technische Universiteit DelftHet gebruik van hoge sterkte beton (HSB) is in opmars. Met HSB, sterkteklassebovenB 65, isvoor het eerst een mortelontwikkeld die nietalleen duurzaam is, maarookeen ho-gedruksterkte combineert met een goede verwerkbaarheid. De belangstellinggroeit,nudoor studie en onderzoekde mogelijkhed~nen voordelen duidelijkworden. De belangrijk-ste toepassingsgebieden zullen gebouwen, offshore, bruggen en viaducten zijn.Momen-teel worden al enkele bruggen en viaducten uitgevoerd in B 85. De toepassing van HSB inplaatviaductenis interessant, omdat er slanker kan worden geconstrueerd (goedko-per?) en er tevens grotere overspanningen mogelijk zijn (groter toepassingsgebied?). In-gegaan zal worden op economische aspecten, duurzaam bouwen en duurzaamheid.HOGESTERKTE BETONINPLAATVIADUCTEN tEEN VERKENNENDE STUDIEDit artikel is geschreven naar aanleiding van eenafstudeerwerk dat is geco?rdineerd door eencommissie onder leiding van prof.dr.ir. J.C. Walra-ven en bestaande uit vertegenwoordigers van deTU Delft en de Bouwdienst Rijkswaterstaat.De samenstelling vanHSB verschilt nogalmet de gebruikelijke betonsterkteklassen.De water-cementfactorligt aanzienlijk lager,daarnaast is het cementgehalte aanzienlijkhoger. Toevoeging vansilicafume zorgt voorvergroting van de dichtheid en verbeteringvan de verwerkbaarheid en de mengselsta-biliteit. Om de verwerkbaarheid en stabiliteitvan de betonspecie verder te vergroten, wor"den hulpstoffen toegevoegd. Om de ce-mentpasta goed aan de grove toeslagstof-fen te laten hechten, wordtgebroken grind met een grootste korrelaf-meting van 16 mm toegepast.De betonmortel kentbehalve een hoge eind"sterkte ook een snelle sterkte-ontwikkeling.Een probleem bij een betonmortel met snelverhardend cement is de grote warmte-ont-wikkeling. Door de grote temperatuurver"schillen in de constructie kan scheurvor-ming optreden. Om scheuren te voorkomen,kan koelen van het beton noodzakelijk zijn.Betonnen plaatviaducten zijn in Nederlandhet meest voorkomende viaducttype (tabel1). Plaatviaducten worden ter plaatse ge-stort en worden daarom alleen toegepastals de hinder tijdens de bouw beperkt blijft.Tabel 1Aantal betonnen viaducten in NederlandDe dwars- en langsdoorsnede van eenplaatviaduct zijn weergegeven In de figuren1 en 2. Sparingbuizen en/of overstekkenkunnen worden toegepast om het gewichtvan het dek te reduceren. Plaatviaductenworden tot nu toe toegepast tot overspan"ningen van circa 40 m.Ontwerppraktijk van een plaatviaductIn de ontwerppraktijk worden de ontwerp-specificaties voor een plaatviaduct vastge-steld door de opdrachtgever. Ontwerpspeci-ficaties voor een plaatviaduct zijn:? aantal overspanningen;? lengte overspanningen;? breedte viaduct;? verkeersklasse (belastingsklasse).De constructeur van bijvoorbeeld een inge"nieursbureau ofvan de Bouwdienst Rijkswa-terstaat maakt de ontwerpkeuzes. Ontwerp-keuzes voor een plaatviaduct zijn:? betonsterkteklasse;? voorspangraad;? sparingbuizen;? verhouding eindveld/middenveld;? voute;? kabeltype;? overstek.Aan de hand van deze ontwerpkeuzes enontwerpvuistregels wordt de constructie-hoogte afgeschat (fig. 3). Daarna wordt debenodigde voorspanning als volgt bere"kend:? bepaling uitwendige belastingen:? eigen gewicht;? rustende belasting (asfalt en dergelijke);? mobiele belasting (verkeersbelasting);20 CEMENT1996/6CD Dwarsdoorsnede dek met sparingbui"zen? Langsdoorsnedena. vlakke plaatb. plaatviaduct met voutec. plaatviaduct met dwarsdragerd. plaatviaduct met vari?rende hoogtead? berekening momenten en spanningen;? bepaling voorspanning.Bij deze hoeveelheid voorspanning wordt dehoeveelheid wapening bepaald. Hierbijmoeten de spanningen in de gebruiksfasetoelaatbaar zijn en moet tevens worden vol-daan aan het bezwijkmoment en de scheur-wijdte-eis. De resultaten van deze bereke-ning worden getoetst aan de VBC 1995 ende Voorschriften voor Betonnen Bruggen(VBB 1995). De meest belangrijke toet-singscriteria zijn:? bezwijkmoment (breukmoment in uiterstegrenstoestand);? minimale wapening (minimum-wape-ningspercentage zodanig dat geen brossebreuk optreedt);? maximale wapening (maximum-wape-ningspercentage zodanig dat wapeningvloeit voor bezwijken);? dwarskracht (voldoende schuifweerstandtegen optredende dwarskracht);? scheurwijdte (zodanig dat wapening envoorspanning niet worden aangetast);? vermoeiing van beton, voorspanstaal enwapening (door belastingswisselingentreedt vermoeiing op);? doorbuiging.Tevens moet worden voldaan aan alle prakti-sche eisen ten aanzien van de verankeringvan de voorspankabels en deminimale hart-op-hart afstand tussen de voorspankabels.Wordt hieraan voldaan, dan wordt de kost-prijs bepaald.Bij deze methode is men er nooit zeker vanof de constructiehoogte minimaal is en deontwerpkeuze optimaal. Men weet nooit ofhet gekozen ontwerp de minimale kostprijsoplevert. Over het algemeen wordt wel naarde minimale constructiehoogte gestreefd.CEMENT1996/6Optimalisering van de ontwerppraktijk kandan ook interessant zijn, met name voorHSB.Optimalisering van de ontwerppraktijkToepassing van HSB is interessant vanuitverschillende oogpunten:? EconomieIs een zo slank mogelijkviaduct,bij een va-riabele ontwerpkeuze, ook het goed-koopst om te bouwen?? Duurzaam bouwenEen slanker viaduct vergt minder beton,maar wellicht meer cement (door het ho-gere cementgehalte) en voorspanstaal.Het is dus maar de vraag of een slankerviaduct uit het oogpunt van gebruik van(eindige) grondstoffen of van energie-iwhoud voordelig is.? DuurzaamheidHogere sterkteklassen leveren een duur"zamer betonconstructie. Geven schadesaan de tot nu toe gebouwde viaductenaanleiding tot toepassing van duurzamerbeton?In eerste instantiewordtervan uitgegaan datalle vragen positief kunnen worden beant-woord wanneer een hogere betonsterktewordt toegepast en de constructiehoogte zoklein mogelijk wordt gekozen.Wanneer de constructiehoogte wordt ver-kleind,kan hetzijn dat randvoorwaarden dietot nu toe over het algemeen niet maatge-vend waren, dit nu w?l worden. Voorbeeldenzijn vermoeiing van beton en (voorspan)-staal, dwarskracht en doorbuiging.Deze randvoorwaarden worden extra kri-tisch wanneer de voorspangraad wordt ver-laagd ten opzichte van de tot nu toe gangba-re. Tot op heden werd gedimensioneerd opde toelaatbare trekspanningen volgens der-----------,I ontwerp vuistregels IL .Jberekeningcontrolevoorschriftenkostprijs? OntwerppraktijkVB 1974/1984. De VBC 1995 en de VBB1995 geven de ruimte om een lager voor-spanniveau toe te passen. Het breukmo-ment en de scheurwijdte worden dan metwapeningsstaal beheerst. Het onderzoekzal over vele vraagpunten uitsluitsel moetengeven.Om al deze invloeden snel en nauwkeurig inrekeningte kunnen brengen, is een ontwerp-programma gemaakt waarmee de invloedvan de ontwerpkeuzes snel kan worden be-oordeeld. Het programma optimaliseert hette ontwerpen viaduct. Hierbij is optimalise-ring als volgt gedefinieerd: voor iedere com-binatie van voorspanfactor(andere definitievoor het begrip voorspangraad) en beton-sterkteklasse wordt de minimale construc-tiehoogte bepaald, zodanig datjuist aan devoorschriften is voldaan.21.? bruggenbouw ? onderzoek?oProgramma-structuurdiagram? Afmetingen doorsnede plaatviaduct(in m)ontwerpspecificatiesI!keuze: sparingbuizenvoutekabeltype!voor iedere combinatie van voorspanfactor en betonsterkteklasseh te laag schattenzolang niet aan de voorschriften is voldaan ~ programmaberekening belastingen/snedekrachten~o~voldaan nietvoldaanbepalen kostprijsI h = h + L1hh = constructiehoogteDe opzet van het programma is weergege-ven in figuur 4. Het programma berekentvoor een willekeurig viaduct (volgens uit"gangspunten), voor iedere combinatie vanvoorspanfactor en betonsterkteklasse, deminimale constructiehoogte met de daarbijbehorende kostprijs. In het programma iseen nauwkeurige kostenberekening ge?m-plementeerd. In deze kostenberekeningzijnde belangrijkste onderdelen die betrekkinghebben op de kostprijs van het plaatviaduct,meegenomen. De gehanteerde eenheids-prijzen zijn afkomstig van de afdeling kost-prijszaken van de Bouwdienst Rijkswater-staat.Bij het onderzoek zijn de volgende uitgangs-punten gehanteerd:? Voor de afmetingen van de dwarsdoorsne-de van het dek zijn vaste waardengeko-zen, uitgezonderd de dekhoogte. Voor debreedte van het dek is 15 maangehouden(fig. 5), gebaseerd op ??n rijrichting vaneen autosnelweg met twee rijstroken en??n vluchtstrook. Voor de dwarsdoorsne-de van het dek is gekozen voor hettoepas-sen van een overstek. De afmetingen vanhet overstek zijn gekozen aan de hand vaneen inventarisatie van de bestaande brug-dekken met overstekken.? Voor viaducten met ??n overspanningwordt een vlakke plaat (in langsrichting)toegepast (fig. 2).? Bijmeerdan ??n overspanningwordtgeko-zen voor hettoepassen van een voute (fig.2), omdat deze constructie geen invloedheeft op de doorrijhoogte. De plaat met22verlopende hoogte wordt esthetisch alsfraaier ervaren, maar heeft als nadeel datde doorrijhoogte wordt gereduceerd.? Voor het maximale aantal overspanningenis drie aangehouden. Omdat in de praktijkaltijd naar symmetrische overspanningenwordt gestreefd, is de lengte van de over-spanningen symmetrisch aangenomen.Voor de verhouding eindveld/middenveld(Ieindveld/1middenveld) is gekozen voor een va-riabele waarde tussen 0,5 en 0,8.? Voorhetbepalenvan hetaantal benodigdevoorspankabels is uitgegaan van de 'ge-bruiksfase op t = 00' in debruikbaarheids-grenstoestand. In deze fase mag in deconstructie geen trek optreden bij een be-paald aandeel (voorspanfactor) van demobiele belasting. Een voorspanfactorvan 1 betekent een volledig voorgespan-nen constructie. Een voorspanfactorvan ?betekent dat geen trek in constructie op,treedt wanneer geen mobiele belastingaanwezig is. Wanneer de trekspanning inde constructie ten gevolgevan de mobielebelasting volledig wordt gecompenseerddoor de voorspanbelasting, spreken wevan volledig voorgespannen beton. Bij ge-deeltelijke compensatie spreken we vangedeeltelijk voorgespannen beton.? Minimale constructiehoogte '" minimalekostprijs. Aangenomen is dat de minimaleconstructiehoogte van een plaatviaduct,bij vastgestelde ontwerpkeuzesl!, de mini-male kostprijs oplevert.Resultaten aan de hand van de ontwerp-keuzesDe optimale ontwerpkeuzes zijn sterk afhan-kelijk van de ontwerpspecificaties en de lo-kale omstandigheden. Per ontwerpkeuze isgetracht een tendens voor de optimale keu-ze aan te geven.BetonsterkteklasseHet toepassen van HSB resulteert in eenslankere constructie (fig. 6). Ten aanzienvan de minimale constructiehoogte nemende verschillen tussen HSB en normaal beton(de gebruikelijke sterkteklassen) toe naar-mate de lengte van de overspanningen toe-neemt. De vraag is dan echter: resulteert ditook in goedkopere constructies?Uit figuur 7 blijkt dat het toepassen van HSBeen duurdere bovenbouw oplevert ten op-zichte van normaal beton. Wordt echter ookde kostprijs van de onderbouwen van de op-ritten in beschouwing genomen, dan is hettoepassen van HSB gunstig. HSB levertvoordelen op wanneer een lagere construc-tiehoogte een besparing aan grondverzetbetekent. Vooral bij viaducten over autosnel-wegen moeten vaak hoogteverschillen wor-den overwonnen door middel van opritten.Indien alleen de bovenbouw, eventueel metonderbouw, in beschouwing wordt geno-men, levert de laagste sterkteklasse delaagste kostprijs op.In de praktijk blijkt dat het langsprofiel vanhet viaduct meestal is vastgelegd voordatmet de definitieve berekening van het via-duct wordt begonnen. Blijkt dat de construc-tiehoogte kleiner is dan van tevoren is inge-CEMENT1996/61,55---r-'---------,---------,------------,? Constructiehoogte bij variabele sterkteklasse456105B953568511 voorspanstaal11 wapening11 beton------- 11 bekisting11 onderbouw----------.--.- ~ ---- 0 grondwerk--B 45-,--{]- 6 55 ~---+---------b----__:~~-_:i-A-- 665----'1- 6 75 -~---+------~~--t_:;7"""-----~~'----_:::::""""""'___J.~"'- 6 85 ----+-----,,"""""'------::,....-'i""--=--""""----==-'"""""=,....-s,......,,::=-4'-~6954,04.24,3+~~-~----~----? __?_?---?-?-..r0,55-"'-__~~~~ t- --_---+----_~_____I0,35.15 25~ overspanning (m)E 1.35~Olg 1,15.calti 0,95::J'-->-~ 0,75eu645 B55 B65 B75--?> betonsterkteklassex......~ 3,9?::::0-ti 3,8e..x:'-0 4,1~(J) Kostprijsopbouwschat, dan wordt het langsprofiel over het al-gemeen nietmeergewijzigd.Wil men profite-ren van de mogelijkheden van HSB, dan zalin deze werkwijze verandering moeten wor-den aangebracht; goede vuistregels of ont-werpgrafieken zijn dan nodig.VoorspanfactorBij gedeeltelijk voorgespannen beton komteen deel van de belasting voor rekening vande langswapening. Een afname van de voor-spanfactor, wat een afname van het aantalvoorspankabels betekent, zorgt voor eentoename van de langswapening (fig. 8). Deoptimale voorspanfactor wordt bepaald opbasis van de totale minimale kostprijs. Ech-ter andere overwegingen kunnen ook een rolspelen.Een volledig voorgespannen constructie be-tekentin gebruikstoestand een ongescheur-de doorsnede, waardoor weinig risico's tenaanzien van aantasting van de voorspan-ning aanwezig zijn. Een voordeel van een ge-deeltelijk voorgespannen constructie is, datwanneer door onvoorziene belastingscheurvorming optreedt, de aanwezige wa-pening descheurwijdte zal beperken. Vooralbij kleine viaductlengtes is het toepassenvan gedeeltelijk voorgespannen beton inte-ressant. Het blijkt dat de kostprijs behoorlijkgereduceerd kan worden door het verlagenvan de voorspanfactor (fig. 9). Bij grote via-ductlengtes is het toepassen van gedeelte-lijk voorgespannen beton minder interes-sant, omdat de kostprijs van het voorspan-staai per ton sterk afneemt.? Oppervlakte onderwapening en voorspanstaal (B 45, I = 30 m) ? Kostprijs onderwapening en voorspanstaaJ (B 45, I = 30 m)? -0,1 -0,2 -0,3--0---- wapening- - 0 - voorspanning-I>--- totaal0,4 0,3 0,2 0,1O+---r~"--'-'---'-'-'---'----r-'--r~'--.-"1 0,9 0,8 0;7 0,6 0,5--?> voorspanfactori11)=E'Cl.+-11)~ 50+---~- ~~ ~ -=~-o---o----o---o--o--o--o--o---o---o---o---o--'"-~250200on 150~x~100-0,20,21 0,8 0,6 0,4--?> voorspanfactor0,07 +----------'"_==,---~-------+-0,08+-"'>{k;:----------~------~~0,06 +--------------'----~J.....:::::=+-~0,09 +--_---_~ - 0 - - wapening--D-- voorspanning:'-OJ0- 0,020-eN 0,05+------------~---~---p.-ECEMENT1996j6 23? bruggenbouw ? onderzoek?Bij toepassing van HSBkan extra wapeningnodig zijn voor het opnemen van de trek-spanningen tijdens het verhardingsproces(hydratatiewarmte). Hierdoor wordt het toe-passen van gedeeltelijk voorgespannen be-ton nog interessanter.Een ander voordeel van gedeeltelijk voorge-spannen beton is, dat de voorspankabelsgemakkelijker kunnen worden verankerd,doordat de hoeveelheid afneemt. Bij toe-passing van HSB enlof sparingbuizen waar-bij relatief veel voorspankabels worden toe-gepast, kunnen problemen ontstaan bij ver-ankering van de voorspankabels. Dit pro-bleem treedt vooral op bij relatief grote over-stekken.Bijkomende voordelen van gedeeltelijkvoor"gespannen beton, die niet in rekening zijngebracht:? afname van de K-factor (Iastspreidings-factormobiele belasting). Doorscheurvor-ming in de constructie zal deze zich slap-per gaan gedragen, waardoor de belastingzich meer spreidt. Hierdoor wordt de bij-drage van de mobiele belasting geredu-ceerd;? de betondrukspanning ter plaatse van hetvoorspanstaal neemt af. Hierdoor neemthet totale verlies ten gevolge van krimp,kruip en relaxatie af. Afname van ditverliesbetekent dat er minder voorspanning be-nodigd is, wat gunstig werkt op de maxi-mum-wapeningtoets. Indien deze toetsmaatgevend is, zal dit resulteren in eenslankere constructie.SparingbuizenEen relatiefgroot deel van de belasting vaneen plaatviaduct bestaat uit het eigen ge-wicht,hetgeen door het toepassen van spa-ringbuizen aanzienlijk kan worden geredu-ceerd. Omdat de sparingbuizenin het 'mid-den' van de doorsnede worden aange-bracht, heeft dit maar een zeer geringe in-vloed op het bezwijkmoment in de gebruiks-fase. Door de afname van het eigen gewichtwordt de minimale constructiehoogte gere-duceerd, wat een kostenbesparing oplevertten aanzien van beton, fundering en oprit"ten. Daarentegen zijn extra kosten verbon-denaan het aanbrengen van de sparingbui-zen. Het blijkt dat de minimale constructie-hoogte bij toepassing van sparingbuizenmet ongeveer 5% kan worden gereduceerd.Sparingbuizen met een diameter van 500mm, de minimaal onderzochte diameter, blij-ken al winstgevend te zijn. Een nadeel vansparingbuizen is, dat hetaanbrengen vandevoorspankabels noga! complex is. Vooralwanneer desparingbuizen vlak naast elkaarliggen en er veel kabels zijn vereist. Om ditprobleem enigszins op te lossen kan wordenovergegaan op grotere kabeltypes van 27 x15,7 en 37 x 15,7 mmoVerhouding eindveld/middenveldEen optimale verhouding tussen de over-spanningslengte van eind- en middenveldbetekent dat het eindveld en het midden-veld beide even maatgevend zijn voor de mi-nimale constructiehoogte.Een optimale verhouding betekent voor eenviaduct een minimale constructiehoogte eneen daarbij behorende minimale kostprijs.Uitgangspunt bij deze studie is dat de krom-mingsdruk ten gevolge van de voorspanningin eind- en middenveld gelijk is. Daardoor isde grootte van de verhouding begrensd.Eenverhouding groter dan 0,8 zou een kabelIig-ging in het eindveld veroorzaken die in hetlaagste punt buiten deconstructie louko-men te liggen. Voor een plaatviaduct meteen totale lengte van 100 m is onderzochtwat de optimale verhouding eindveld/mid-denveld is. Een verhoudingvan 0,5 betekentdat de lengte van de eindvelden de helft isvan de lengte van de middenoverspanning.Bij toename van de verhouding neemt dusde lengte van respectievelijk het eindveldtoe en van het middenveld af. Uit figuur 10blijkt dat een verhouding tussen de 0,7 en0,8 het meest gunstig is om toe te passen.VouteBij een plaatviaduct met meer dan ??n veld,wordtterplaatse van detussensteunpunteneen voute toegepast (fig. 11), omdat terplaatse van detussensteunpunten degroot-ste momenten optreden en omdat bij toe-passing van een overstek de betondrukzo-nebreedte (onderin) kleiner is dan bij develddoorsneden (bovenin). Een minimalevoutehoogte .betekent dat de steunpunts-doorsnede niet maatgevend is voor de mini"male constructiehoogte. Hettoepassen vaneen voute reduceert de constructiehoogteen daarmee de kostprijs (fig. 12).Grote overstekken hebben tot gevolg dat dehoogte van de voute toeneemt. Dit als ge-volg van een kleinere lijfbreedte, waardoorter plaatse van het tussensteunpunt debreedte van de betondrukzone afneemt. Ditheeft als gevolg dat de hoogte van de beton-drukzone toeneemt. Om voldoende rotatie-capaciteit te waarborgen zal hierdoor devoute moeten worden verhoogd. Omdat een'hoge' voute niet als esthetisch fraai wordtervaren, moetdehoogte beperkt blijven totmaximaal de halve constructiehoogte.KabeltypeBij de Bouwdienst Rijkswaterstaat werdentot voor kortkabeltypes toegepast vantwaalf strengen met een kenmiddellijn van12,9 mmo Tegenwoordig wordt ook gekozenvoor de wat grotere kabeltypes van 19 x12,9en 12 x15,7 mm totmaximaal19 x 15,7 mmoDe kostprijsverschillen (per ton) tussen dekabeltypes zijn marginaal. Het zwaartepuntvan een klein kabeltype ligt echter veel dich-ter bij de 'uiterste vezel' van de constructie.Hierdoorneemtde inwendige hefboomsarmtoe, waardoor de hoeveelheid voorspanningkan worden beperkt.E 1,1~ 1,05Olo,.g1al+:~ 0,95L+-~ 0,9ou24~ ~ ~ ~ W ~ ~~ verhouding eindveld I middenveld@) Minimale constructiehoogte bij toenemende verhouding eind-veld/middenveld@ Langsdoorsnede plaatviaduct terplaatse van tussensteunpuntCEM ENT1996160,93E 0,92-@ Verloop constructiehoogte bij toenemende voute-hoogte (via-duct 2 x 30 m, B 45)I, 13,0I~I@ Afmetingen doorsnede kokerviaduct (in m)0,250,200,150,86r0,850,84 +~~-,..,..~--,.----,.----=--~-
Reacties