C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wcement 2000 2 45Niet-metallische wapenings- en voor-spanelementen zijn (nog) niet eco-nomisch interessant om de conven-tionele wapening en voorspanele-menten te vervangen. Niet-metalli-sche voorspanelementen kunneninteressant zijn wanneer de duur-zaamheid niet wordt gewaarborgddoor dekking van het beton en injec-tie met grout, zoals bij externe voor-spanning en tuiconstructies. Degoede vermoeiingseigenschappenzijn interessant voor tuien.In de westelijke Dintelhavenbrug zijnvier externe proefkabels van 75 mlang gemonteerd. Dit artikel be-schrijft de opbouw van het voorspan-element en de montage in de brug.Enkele jaren geleden heeft deBouwdienst Rijkswaterstaat hetplan opgevat ervaring op te gaandoen met de toepassing vanvezelversterkte kunststoffen.Vooral in Canada, Japan en deVerenigde Staten wordt op groteschaal onderzoek gedaan naar enge?xperimenteerd met de toepas-singsmogelijkheden van dezematerialen in civiele construc-ties. De Bouwdienst wilde onder-zoeken of toepassing interessan-te voordelen oplevert in de ont-werpfase (technische voordelen,stichtingskosten) of in de be-heersfase (beperking onderhouds-kosten, duurzame reparaties enversterkingen).De meest in het oog springendevoordelen daarbij zijn de duur-zaamheid, de ongevoeligheidvoor corrosie, de hoge sterkte, degrote bestandheid tegen span-ningswisselingen en het lichtegewicht.In wapeningsstaven en plattestrips worden de vezels unidirec-tioneel (in ??n richting) aange-bracht, waardoor het vezelper-centage kan worden geoptimali-seerd tot 60 ? 70%. In betoncon-structies kan de vezelsterkte danoptimaal worden uitgenut. Dit isbelangrijk, want de vezels zijn(nog) duur.Vezelversterkte laminaten wor-den opgebouwd uit lagen kunst-hars waarin de vezels onder elkaarkruisende hoeken wordt aange-bracht. Wanneer deze laminatenin of over een mal worden aan-gebracht, dan kunnen hiermeeruimtelijke constructies wordengemaakt. Dan ontstaan lichte,sterke en duurzame constructiesdie gedurende tientallen jarenweinig onderhoud behoeven.Deze constructies kunnen goedealternatieven zijn voor gelijk-waardige staalconstructies. DeBouwdienst heeft inmiddelsproefprojecten uitgevoerd in devorm van schuiven in sluisdeu-ren, een loopbrug in een veer-steiger en een stel sluisdeuren.Ook zijn alternatieven ontwikkeldvoor beweegbare brugdekken.Koolstof voorspankabelsin de Dintelhavenbrug (I)Toepassing en montageir.W.B.Grundlehner, Ingenieursbureau voor systemen en octrooien Spanstaal bving N.Kaptijn, Bouwdienst Rijkswaterstaatdr.ir.A.H.J.Vervuurt, TNO Bouw1 | Tweede Dintelhavenbrugin aanbouw; linksonder isdenieuwe spoorbruggedeeltelijk zichtbaarfoto: Henk van der VeenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wcement 2000 246Voor betonconstructies tekentzich de tendens af dat koolstof-vezels het meest beloven voorde toekomst, hetgeen niet wilzeggen dat andere vezels zoalsglasvezel, aramide, kevlar enz.geheel uit beeld verdwijnen.Verdere ontwikkelingen zijnonder meer afhankelijk van demate waarin de nieuwe toepas-singsmogelijkheden zullen wor-den opgepakt en van de marke-ting van de producerende bedrij-ven. Ook worden nog steeds nieu-we soorten vezels ontwikkeld.W a a r o m t o e p a s s e n ?In het buitenland wordt hetontbreken van corrosiegevaar alshet grootste voordeel ervaren.Tot 10 ? 20 jaar geleden was bij-voorbeeld in de Verenigde Statende betonkwaliteit zo pover, datwapening en voorspanning opgrote schaal door corrosie zijnaangetast; 10% van de bruggenen viaducten moet dringendingrijpend worden gerepareerdof vervangen.In Nederland is de kwaliteit vande betonconstructies over hetalgemeen zodanig, dat er geenbehoefte is aan corrosiebestendi-ge wapening en voorspanning.De corrosiebestendigheid heeftwel voordelen wanneer de be-schermende werking van betonontbreekt, zoals het geval is bijtuien, uitwendige voorspanningen uitwendig aangebrachte wa-peningsstrips ter versterking vaneen constructie.T u i e nDe maximale spanning in stalentuien is in de orde van 750N/mm2. Dit is een lage waardeten opzichte van de breuksterkte(1860 N/mm2) vanwege de ge-voeligheid voor vermoeiing. Inkoolstofvezelkabels kan hetspanningsniveau worden op-gevoerd tot in de orde van1000 N/mm2, waardoor aanzien-lijk op het kabelmateriaal kanworden bespaard. Dit is belang-rijk, want de kosten van hetmateriaal zijn ? vanwege debeperkte beschikbaarheid van devezels ? aan de hoge kant. In-middels zijn verschillende vezel-fabrieken in aanbouw en de ver-wachting is dat de prijzen in detoekomst aanzienlijk zullen dalen.Het gewicht van een koolstofve-zelkabel is ongeveer 20% van datvan een stalen kabel. Dit is exclu-sief de gewichtsreductie door deniet-benodigde corrosiebescher-ming zoals grout, was of kunst-stof omhulling van de strengen.Deze gewichtsreductie ? in com-binatie met de hogere spanning ?zal de doorhang van een tui aan-zienlijk reduceren. De kans opongewenste bewegingen van detuien door regen en wind wordthiermee aanzienlijk kleiner. In[1] zijn de effecten vergeleken engetoetst aan de tuien van ver-schillende Nederlandse bruggen.Vooral bruggen waarvan de per-manente belasting relatief laag is(staal, hout, kunststof), hebbenvoordeel van koolstofvezeltuien.Enkele tuibruggen zijn inmid-dels voor 100% opgehangen aankoolstofvezeltuien.E x t e r n e v o o r s p a n n i n gEvenals bij tuien kan ? vanwegede corrosiebestandheid ? gekozenworden voor koolstofvezel-voor-spanelementen. De enige be-scherming die de voorspanele-menten behoeven, is een HDPE-omhullingsbuis ter beschermingvan de draden tegen vandalisme.Koolstofvezeldraden zijn name-lijk niet bestand tegen kerfwer-king. Sterke krommingsdrukkenof inkervingen met een mes kun-nen aanleiding geven tot hetbezwijken van de draden.T o e p a s s i n g i n d ew e s t e l i j k eD i n t e l h a v e n b r u gTer verdere ontsluiting van deMaasvlakte wordt het laatste deelvan RW15 opgewaardeerd totautosnelweg. Daarvoor moest debestaande stalen brug over deDintelhaven (twee rijstroken, ??nspoor) worden vervangen doortwee verkeersbruggen (2 x 2 rij-stroken) en een spoorbrug (tweesporen, het begin van de Betuwe-spoorlijn, foto 1).De westelijke brug bestaat uitdrie overspanningen (86 ? 185 ?86 m) en is ongeveer 16 m breed.Het brugdek bestaat uit een ??n-cellige koker die vanuit de tus-sensteunpunten wordt uitge-bouwd met de vrije uitbouwme-thode. De twee bruggen zijndaarmee de grootste uitbouw-bruggen van Nederland.De grootste uitbouwmoten zijn5,00 m lang. De kokerhoogte ver-loopt van 3,00 m in het middenvan de hoofdoverspanning tot8,50 m ter plaatse van de tussen-steunpunten. Hier zijn 112 voor-spankabels 19 x 12,9 mm nodigom het steunpuntsmoment op tenemen. Bij elk tussensteunpuntzijn twee van deze kabels vervan-gen door twee koolstofvezel-voor-spanelementen van 75 m lengte.Deze elementen zijn uitwendigaangebracht in de koker (fig. 2).2-BBR CARBON External.9.1?6 mmI = 7.5 m2-BBR CARBON External.9.1?6 mmI = 7.5 m850030008500184950 865002 | Locatie externe koolstof-vezelkabelsC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wcement 2000 2 47De aanvangsvoorspankracht be-draagt 2650 kN, gelijk aan diein een stalen uitkragingskabel.Wanneer onverhoopt de voor-spankracht niet meer kan wor-den gewaarborgd, kan de kool-stofvezelkabel worden vervangendoor een conventioneel stalenvoorspanelement.De kabels worden afgespannenop stalen nokken (foto 3), be-staande uit een kopschot en tweezijschotten. De zijschotten dra-gen de kabelkracht over op eendikke stalen ingebetonneerdestrip, die is ingelaten in een spa-ring in het kokerdak. De dikkestalen strip draagt de voorspan-kracht over op een in het koker-dak ingebetonnerde strip. In hetkokerdak is verder de benodigdewapening aangebracht voor eengoede krachtsafdracht aan dekoker. Aan de zijde van de veran-kering is de nok vastgespannenmet twee Dywidagstaven.De voordelen van een dergelijkenok zijn tweeledig:? de krachtsafdracht van noknaar koker is duidelijk en een-voudig. Wanneer de nokgeheel in beton zou zijn uitge-voerd, dan was de aan te bren-gen wapening complex enomvangrijk geweest;? de nok kan achteraf wordenaangebracht. Het uitbouwpro-ces wordt niet verstoord dooreen direct met de moot mee-gestorte nok. Er zou een nok-bekisting moeten worden aan-gebracht op de bekisting vande rijvloer en tijdens het ver-schuiven van de bekisting zitde nok in de weg.V e r a n k e r i n g v a nk o o l s t o f v e z e l v e r s t e r k t ev o o r s p a n d r a d e nDe toegepaste koolstofkabels zijnopgebouwd uit parallelle draden? 5 mm. Het voornaamste pro-bleem is de verankering van dezedraden in een spanbaar eind-anker. De koolstofvezels bezittenzeer goede eigenschappen inlangsrichting, doch niet indwarsrichting. Het materiaal isslecht bestand tegen kerfwerkingdie kan ontstaan door knikken,ombuigen of belasting in dwars-richting.Om deze eigenschappen enigs-zins te ondervangen is toepassingvan een conisch ankerlichaameen oplossing, waarbij een metkogeltjes versterkt epoxylichaamde belastingsoverdracht verzorgt.Dit anker is een verdere ontwik-keling van de BBR HiAm-veran-kering, veelvuldig toegepast bijtui- of hangkabels. Het conus-vormige epoxylichaam, het zoge-naamde belastingsoverdracht-materiaal, afgekort BOM, moetaan de volgende eisen voldoen:? overdracht van de trekkrachtuit de voorspandraden naarhet ankerlichaam zonder tegrote zettingsverliezen;? geleidelijke spanningsover-dracht van en naar de dradenzonder grote spanningspieken.Het Zwitserse onderzoeksbu-reau EMPA heeft, tezamen metBBR, een ankersysteem ontwik-keld dat aan beide eisen voldoet.Dit systeem is gebaseerd op eenBOM met variabele stijfheid:? een lage stijfheid aan heteinde van het anker om span-ningspieken te voorkomen;? een toenemende stijfheid naarde voorkant van het anker omvoldoende overdrachtscapaci-teit te hebben.De werking is gebaseerd op toe-passing van keramische korrelsvan variabele afmeting in eenepoxyhars (fig. 4).3 | Afspannok metafgespannen kabel.Afspanbok en voorspan-vijzel zijn nog nietverwijderd. In de uitsparingin de afspanbok is hetankerlichaam metverankeringsmoer te zien4 | Invloed variabelestijfheid van BelastingOverdracht Materiaal in driestappen op spannings-concentratie overdracht-spanning tussen koolstof-draden en vullingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wcement 2000 248O n d e r z o e kv e r a n k e r i n g s s y s t e e mBij EMPA zijn vele ankers - meteen variabel aantal draden - getest,zowel op statisch als dynamischgedrag. Na diverse verfijningenvan het systeem is besloten tottoepassing van koolstof tuikabelsin een proefproject.Bij de bouw van de Storchenbrugin Winterthur (Zwitserland) isbesloten van de 24 tuikabels ertwee als koolstofkabel uit te voe-ren. Voorwaarde was dat dezetwee tuikabels dezelfde stijfheidzouden bezitten als de overige 22.De koolstofkabels mochten ookuiterlijk niet afwijken van denaastgelegen kabels. Bovendienmoest het in geval van noodmogelijk zijn de koolstoftuika-bels te vervangen door tuikabelsvan voorspanstaal.De stijfheidseis (gelijke EA) leid-de tot toepassing van kabels met241 draden ? 5 mm. De veran-kering is voorzien van BOM meteen variabele stijfheid in zevenstappen. Dit ankersysteem is opvermoei?ng getest in een 1 : 1proefopstelling. Bij oplopendebovenbelasting van 2300 kN tot6500 kN en een oplopende span-ningswisseling van 220 tot 270N/mm2, trad gedurende meerdan 8 000 000 belastingswisselin-gen geen enkele beschadiging op.T o e g e p a s t e k a b e l sD i n t e l h a v e n b r u gUitgangspunt voor de toepassingvan koolstofkabels als uitwen-dige voorspanning in de Dintel-havenbrug was, dat dezelfdevoorspankracht moest wordenaangebracht als op een voorspan-kabel 19 x 12,9 mm. Dit heeftmet de destijds bekende gege-vens en de te hanteren veilig-heidsfactor geleid tot toepassingvan 91 draden ? 5 mm.De voornaamste gegevens van detoegepaste voorspandraden zijnweergegeven in tabel 1, zowel deontwerpgegevens als de gemetenwaarden. De draden zijn gefabri-ceerd door Stesalit; de gebruiktekoolstofvezels zijn van het typeToray T700S. De gegevens wor-den vergeleken met een stalenvoorspanstreng. De ontwerpge-gevens van de kabels, vergelekenmet stalen kabels, zijn weergege-ven in tabel 2.Voor een nadere beschouwingover de spanningsniveaus onderde verschillende omstandighe-den wordt verwezen naar hetartikel elders in dit nummer.Alvorens over te gaan tot defini-tieve toepassing van koolstofka-bels zijn twee proefkabels vangelijke samenstelling gemaakten statisch tot bezwijken belast.De bezwijkbelasting van beidekabels lag boven 4000 kN, waar-na besloten is tot produceren vankoolstof voorspankabels voor deDintelhavenbrug.P r o d u c t i e v a nk o o l s t o f k a b e l sDe draden voor de koolstofkabelszijn bij de productieplaats vanSpanstaal bv in Soest op lengteaangeleverd. De circa 75 m langedraden zijn ??n voor ??n uitgelo-pen (foto 5) onder gelijktijdigevisuele controle. De vier kabelszijn twee aan twee geproduceerd.De verankering (lang 500 mm,diameter 210 mm) (fig. 6) moestworden voorzien van een BOMmet variabele stijfheid in vijfstappen. In het verankeringsge-bied worden de draden door mid-del van formeerschijven in dejuiste positie gebracht, waarbijgeen kruisende draden mogenvoorkomen. Nadat alle dradenzijn aangebracht, wordt hetankerlichaam gemonteerd enwordt het kabeleinde gekanteld,waardoor het ankerlichaam inverticale positie wordt gebracht.In deze positie worden de kera-mische kogels ten behoeve vanhet BOM, alsmede de epoxyharsaangebracht (foto 7). Deze twee-componenten-epoxyhars en hetankerlichaam worden vooraf-gaand aan het aanbrengen ver-warmd. Nadat het ankerlichaammet epoxyhars is gevuld, wordtde temperatuur verder opge-voerd en uiteindelijk enkeleuren op circa 130 ?C gehouden.Is de kabel op deze wijze van??n anker voorzien dan wordtde HDPE-omhullingsbuis aan-gebracht, waarbij de dradenexact parallel moeten blijvenkabeltype 91 ? 5 CFRP 19 ? 12,9 streng? bundel(mm) 55 65Fpu rep(kN) 4288 3534Fp0(kN) 2650 2650Fp0/Fpu rep(%) 62 75AEp(kN) 285 885 370 500massa (kg/m) 2,79 14,92Tabel 2 | Kabelgegevens(ontwerp)systeem BBR CARBON BBR CONACFRP-draad 0,52" streng FeP 1860ontwerp geleverd ontwerpdiameter (mm) 5 5 12,9oppervlak Ap(mm2) 19,63 19,63 100treksterkte fpu rep(N/mm2) 2400 3290 1860breukkracht Fpu rep(kN) 47 66,1 186E-modulus Ep(N/mm2) 160 000 163 000 195 000breukrek (%) 1,8 3,5lineair tot breuk bi-lineairmassa (g/cm3) 1,6 1,6 7,85(g/m) 31 31 785(K-1) 0,2 . 10-60,2 . 10-610 . 10-6Tabel 1 | Eigenschappen kool-stofvezeldraad invergelijking met strengFeP 1860C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wcement 2000 2 49lopen; kruisende draden dienenabsoluut vermeden te worden.Op identieke wijze wordt eentweede anker geplaatst. De kabelsworden op grote haspels (? 2,5 m)gewikkeld, twee kabels per has-pel, die met een dieplader naarde bouwplaats worden vervoerd.M o n t a g e i n d e b r u g k o k e rNa aankomst op de bouwplaatsworden de kabels afgehaspeld enwordt de HDPE-omhulling afge-monteerd. In verband met toe-komstige inspectie is de omhul-lingsbuis niet doorgaand, dochvoorzien van telescoopstukken,waardoor de kabel in de toe-komst over de volle lengte visu-eel kan worden ge?nspecteerd.De sluitmoot van het brugdek isreeds gestort en in het bovendekvan een aangrenzende uitbouw-moot is een sleuf gespaard waar-door de kabels in de koker kun-nen worden ingevoerd. Via eengespannen hulpdraad kunnen dekabels door de afspannok entegen de onderkant van het dekworden gemonteerd.Aan de niet-spanzijde is een6 | Verankering koolstofkabel5 | Na uitlopen van de draden worden deze met formeerschijven inde juiste positie gebracht7 | In verticale positie worden de ankers gevuld met keramischekogels en expoxyharsC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbou wcement 2000 250zogenaamde Wiga-ring aange-bracht om later de voorspan-krachten te kunnen aflezen. Bijhet spananker is door middel vanverlengspindels een spanvijzelgemonteerd (zie foto 3). De voor-spankracht is in kleine stapjesopgevoerd tot de vereiste span-kracht van 2650 kN. Bij elke stapzijn de verlenging van de kabelsen de zetting van het ankergemeten. Beide waarnemingenwaren naar verwachting. Na delaatste spanstap kan de span-moer worden aangedraaid. Despanwerkzaamheden zijn inoktober 1999 uitgevoerd.Tijdens en na de montage vande kabels in de brug wordenverschillende metingen aan dekabels uitgevoerd. Zoals hiervooropgemerkt, is elk van de vierkabels aan de niet-spanzijde voor-zien van een Wiga-ring waarmeeop elk tijdstip de kracht in dekabel kan worden gemeten.Voorafgaand aan het spannen is,eveneens ter plaatse van het blin-de anker, van elke kabel eenhulpconstructie op de veranke-ring aangebracht waarmee deintrekking van het ankerlichaamten opzichte van de ankerhulskan worden gemeten. De intrek-king van het ankerlichaam wordtop vijf plaatsen over de diametergemeten met behulp van eenschuifmaat met een aflees-nauwkeurigheid van 0,05 mm.Tijdens het spannen van dekabels zijn na elke belastingstapde kracht en de ankerintrekkinggemeten. Na het spannen van dekabels is ook aan de spanzijdeeen meetconstructie aangebracht.De metingen die hiermee wor-den verricht, geven alleen eenindicatie van de intrekking nahet spannen.Uit de metingen aan de niet-spanzijde is gebleken dat deintrekking van het ankerlichaamtijdens het spannen vergelijkbaarwas met de ankerintrekkingzoals die eerder in de proefkabelsbij TNO Bouw was gemeten [2].De toename van de intrekking inde dagen na het spannen wasklein (enkele tienden van eenmillimeter). Dit bleek uit zowelde metingen aan de blindeankers als aan de spanankers vande kabels. Door de relatief grotelengte van de kabels (75 m) is detoename van de ankerintrekkingechter nauwelijks van invloed opde afname van de kracht in dekabel. Dit in tegenstelling tot deproefkabels bij TNO Bouw die eenlengte hebben van slechts 5 m.T e n s l o t t eNa afspannen rest nog de afmon-tage van de kabels en de afwer-king van de ankers. De kabelom-hulling wordt om de 10 m aanhet bovendek van de koker beves-tigd om eventueel klapperentegen te gaan. Vervolgens kandoor middel van de aangebrachteWiga-ringen voor iedere kabelhet krachtsverloop worden ge-controleerd en door visuele con-trole kan de toestand van de nietbeschermde kabel worden ge?n-specteerd.De toepassing van deze uitwen-dige koolstof voorspankabels kanons veel leren over het lange-termijngedrag van dit materiaalonder constante belasting. Geziende hoge treksterkte, de corrosie-bestendigheid en het lage eigengewicht, kan veel worden ver-wacht van de toepassing van hetmateriaal, met name in agressie-ve omgevingen, waarbij het lageeigen gewicht vooral bij langetuikabels gunstig is. sL i t e r a t u u r1. Van Berkel, P., Regen-wind-trillingen van tuibruggen.Afstudeerrapport TU Delft,faculteit Civiele Techniek enGeowetenschappen, novem-ber 1998.foto: Henk van der Veen