O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2006 8 75dekplaatvermoeiingsscheurentrogdwarsdragerdekplaattrogwandadekplaatlastrogdwarsdragerverbinding tussendekplaat, trog endwarsdragerhoofdliggerdwarsdragerir. M.C. Schrieks, FDN Engineering, Amsterdam *)dr.ir.drs. C.R. Braam en ing. M.H. Kolstein, TU Delft,faculteit CiTGDoor orthotrope stalen brugdekken te overlagen metgewapend beton kunnen de staalspanningen op kritischepunten in het dek sterk worden gereduceerd. De vermoei-ingslevensduur van het brugdek kan hierdoor sterk wor-den verlengd. Deze techniek wordt toegepast bij vastebruggen, maar is, vanwege de toename van het gewicht,nog ongeschikt voor beweegbare bruggen. In een theore-tische en experimentele studie is onderzocht welke oplos-singsrichtingen er zijn en welke varianten het meesteperspectief bieden.Naar aanleiding van vermoeiingsscheuren in de rij-vloer van het val van de tweede Van Brienenoordbrugis Rijkswaterstaat in 1998 het project `ProblematiekStalen Rijvloeren' gestart. Gebleken is dat de levens-duur van de orthotrope brugdekken (fig. 1 en 2 [1])aanzienlijk wordt verlengd als deze worden overlaagdmet een laag zwaar gewapend hogesterktebeton, aande stalen dekplaat van de rijvloer verbonden door eeningestrooide epoxylaag. Over de achtergronden vandeze techniek in het algemeen en de toepassing opstalen brugdekken in het bijzonder, is eerder gerap-porteerd [2 t.m. 5].Bij beweegbare bruggen komt een aspect naar voren datniet eerder maatgevend was, namelijk het toelaatbaregewicht van de overlaging. Deze bruggen zijn voorzienvan een relatief lichte slijtlaag (dikte 6 mm), waardoorde gangbare circa 50 mm dikke betonnen overlaging [4]vanwege de gewichtstoename niet toepasbaar is. Hetblijkt slechts mogelijk de rechter, zwaarst belaste, rij-strook te voorzien van een betonnen overlaging met eentotale hoogte van circa 25 ? 30 mm (70 kg/m2) [6]. Ge-zien deze geringe hoogte is onderzocht welke alternatie-ven voor traditioneel betonstaal in aanmerking komen.Het meest perspectiefvol zijn [6]:? carbon(CFRP)-staven, voorzien van ingelijmdezandkorrels ter verbetering van de aanhechteigen-schappen;? roestvast staal, glad of geribd.In de theoretische analyses is de mate van samenwer-king tussen het stalen dek en de betonnen overlagingeen essenti?le parameter: deze is namelijk gebaseerdop volledige samenwerking. Rekken en spanningenworden berekend op basis van een n-zware doorsnede(n = Es/ Eb). Daarbij moet worden bedacht dat het be-ton zich zowel in de druk- als in de trekzone kan be-vinden. In figuur 3 is schematisch aangegeven hoeeen wiellast op de dekplaat, geplaatst direct boven eentrog, zowel druk- als trekspanningen aan de bovenzij-de van de overlaging kan veroorzaken: de lijven vande trog werken als verende ondersteuningen, waar-door de dekplaat een over meerdere steunpuntendoorgaand element is.In geval van drukspanningen wordt eenvoudigheids-halve verondersteld dat de gehele betonnen overla-ging volledig meewerkt aan de krachtsoverdracht.In geval van trekspanningen wordt verondersteld dathet beton geheel doorscheurt en geen trekspanningenmeer kan overdragen. De aanwezige wapening moetdan zorgdragen voor het verkrijgen van evenwicht.Omdat de krachten in de wapening op het beton wor-den overgedragen, is het de vraag of, door de relatiefgeringe dikte van de betondekking, splijtscheurenevenwijdig aan de wapening zullen ontstaan. DezeOverlagingen voor beweegbarestalen brugdekken*) Dit artikel is gebaseerd op een afstudeerwerk verricht aan de TUDelft. Afgezien van de auteurs hadden P. Buitelaar (Contec (DK)),ir. F.B.P. de Jong (RWS / TU Delft), dr.ing. A. Romeijn (TU Delft) enprof.dr.ir. J.C. Walraven (voorzitter, TU Delft) zitting in de afstudeer-commissie.1 |Orthotroop stalen brug-dek: langstroggen vast-gelast aan dekplaat enondersteund door dwars-dragers, verbonden methoofdliggers2 |Representatieve locatiesvan longitudinalescheurvorming in dek-plaat van beweegbarebrug (a) en praktijkwaar-neming (b) [1]bO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou w76 cement 2006 8wiellasta blangsscheuren kunnen ook leiden tot een reductie vande aanhechtspanningen tussen het beton en de wa-pening. Dit kan nadelige gevolgen hebben voor deduurzaamheid van de reparatiemethode, niet zozeeruit het oogpunt van scheurwijdtebeheersing (niet-corrosiegevoelige materialen zijn geselecteerd), alswel met het oog op de integriteit van het betonop-pervlak zelf.E x p e r i m e n t e e l o n d e r z o e kIn het experimentele deel van het onderzoek ligt hetaccent op het verkrijgen van informatie over twee as-pecten:? de aanhechting tussen de wapening en het beton,alsmede het bezwijkbeeld;? de stijfheid van de samengestelde doorsnede, zowelbij trek als bij druk in de overlaging.AanhechtingHet aanhechtgedrag is onderzocht met behulp vanproefstukken (fig. 4) die qua vorm en wijze van belastenzijn ontleend aan eerder uitgevoerd onderzoek [7]: sta-ven worden over een zekere afstand en met een bepaal-de betondekking ingestort. De uittrekkracht wordt gere-gistreerd en het bezwijkbeeld wordt vastgelegd.In tabel 1 zijn de wapeningsvariabelen opgenomen. Tervergelijking is ook traditioneel betonstaal beproefd; ditwerd tevens gezien als zijnde representatief voor het ge-drag van geribd roestvast staal. Gekozen werd voor tweebetonmengsels met een beoogde 28-daagse kubusdruk-sterkte van respectievelijk circa 100 en 180 N/mm2.Voor de typen staven is met beschikbare aanhechtmo-dellen beschreven bij welke krachten de mogelijke be-zwijkbeelden optreden. Voor het geribd staal zijn dit:? opensplijten van de betondekking, gevolgd door hetuittrekken van de staaf (fig. 5);? uittrekken van de staaf door het over de staafribbenafschuiven van het beton zonder dat sprake is van uit-wendig zichtbare scheurvorming in de betondekking;? breken van de staaf.Voor het glad staal en de carbonstaaf (ingestrooid metzandkorrels ten behoeve van een betere aanhechting):? uittrekken van de staaf (fig. 5);? breken van de staaf.Bij de gladde roestvaststalen staven blijkt altijd sprakete zijn van het uittrekken van de staaf zonder datvoorafgaand hieraan de betondekking is opengesple-ten. De aanhechtspanning bij bezwijken is (gerela-teerd aan de gemiddelde kubusdruksterkte f'bm):b,max,glad= 0,03 f'bm(1)De carbonstaaf blijkt voor aanhechtlengten tot en met100 mm altijd te bezwijken op aanhechting. De zand-korrels ingebed op het staafoppervlak worden dan in-clusief hechtlaag van de staaf afgeschoven en blijvenin het proefstuk achter. De uittrekkracht blijkt voor detwee gekozen betonsterkteklassen dan ook onafhan-kelijk te zijn van de betondruksterkte:b,max,carbon= 11 N/mm2(2)Bij de grootste aanhechtlengte treedt bezwijken opdoor het breken van de carbonstaaf.Bij het geribd staal blijken alle drie mogelijke bezwijk-beelden op te treden. Omdat het aantal proefresulta-ten onvoldoende groot is om al deze mechanismen tetoetsen, wordt gekozen voor het aangeven van een bo-vengrens voor de aanhechtspanning voor de situatiewaarin het uittrekken van de staaf niet vooraf wordtgegaan door het ontstaan van langsscheurvorming:b,max,geribd,afschuiven= 10 N/mm2(3)Deze bovengrenswaarde wordt in de experimentenbereikt voor sterkteklasse B 200 bij een betondekkingvan 9 mm en de kortste aanhechtlengte (30 mm). Bijandere parametercombinaties is, als bezwijken opaanhechting optreedt nadat de betondekking is open-gespleten, de maximale aanhechtspanning lager enwel gelijk aan:Tabel 1 | Wapeningsvariabelen in het aanhechtonderzoekmateriaal kenmiddellijn betondekking aanhechtlengte(mm) (mm) (mm)carbon 5,5*) 3 - 6 - 9 30 - 50 - 100 - 232roestvast staal - glad 6 3 - 6 - 9 30 - 50 - 100 - 232betonstaal - geribd 6 3 - 6 - 9 50 - 100* De nominale middellijn is 5,5 mm; de netto middellijn is, na aftrek van de ingestrooide hechtlaag,5,4 mm. Van laatstgenoemde waarde is in het onderzoek uitgegaan.3 |Mogelijke positie wiel-last ten opzichte vantrog onder dekplaat.Door verende opleggingvan dekplaat op trog-wanden, treden zowelpositieve als negatievemomenten in dwarsrich-ting van dekplaat op4 |Opstelling uitrekproevena. vijzel, drukdoos, ver-binding tussen trekstangen wapening, betonblokmet ingebedde stavenb. detail klemverbindingtussen trekstang enwapeningO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2006 8 77a bmax 0 51000 7?, 0 13 N/mm,= =b, max, geribd, splijten 0 36ckfb 0 11f 'bm,+,=waarin fbde splijttreksterkte van het beton is. Voor hetmengsel met sterkteklasse B 200 zou uitdrukking (4)ten opzichte van de proefresultaten een overschattingvan de aanhechtsterkte geven. Daarom mag voor f'bmgeen waarde hoger dan 100 N/mm2worden ingevuld.In berekeningen moet de laagste waarde verkregenuit uitdrukkingen (3) en (4) worden gebruikt.StijfheidDe mate van samenwerking tussen de stalen dekplaaten de betonnen overlaging is onderzocht in een vier-punts-buigopstelling (fig. 6). Door de positie vanproefstukken te veranderen kan het gewapend betonzich zowel in de trek- als in de drukzone bevinden.De proefstukken zijn 600 mm lang, 120 mm breed enin totaal 35 of 40 mm hoog: een staalplaat (S235,12 mm dik) met ingestrooide epoxy hechtlaag (3 mm)en 20 of 25 mm beton (sterkteklasse C90/105 of circaB 180). Dezelfde staaftypen als beproefd op aanhech-ting worden onderzocht. De staafafstand is 12 of18 mm; de betondekking is 6 mm.Belast wordt tot een voor de praktijk representatievespanning van 150 N/mm2in de staalplaat. Uit de rek-metingen worden daartoe de staalspanningen (s) af-geleid. Deze dienen ook om het weerstandsmomentvan de samengestelde doorsnede (Wbs) te berekenen:Wbs= M / s(5)De buigstijfheid van de samengestelde doorsnede(EI)bswordt uit Wbsberekend. Daartoe wordt eerst delangsvervorming in het beton omgerekend tot eenrek. Uit deze rek, in combinatie met de rek in destaalplaat, wordt, op basis van een verondersteld line-aire rekverdeling over de hoogte van de doorsnede, dehoogte van de betondrukzone bepaald. De buigstijf-heid kan echter ook worden afgeleid uit de registratiesvan de doorbuiging in het midden van de overspan-ning. Daartoe wordt verondersteld dat de buigstijfheidconstant is over de gehele proefstuklengte.Figuur 7 toont een vergelijking tussen de resultatenverkregen met de theorie van de samengestelde door-snede en het weerstandmoment dat uit de metingenis afgeleid, zowel voor de betonnen overlaging aan detrek- als aan de drukzijde van de doorsnede. Tussende theorie en het experiment wordt een goede over-eenstemming verkregen. Voor de buigstijfheid is hetresultaat overeenkomstig.Ter illustratie is in figuur 8 de buigstijfheid weergege-ven. Twee uit de experimenten afgeleide waarden zijntegen elkaar uitgezet: enerzijds (EI)bsvolgend uit Wbsvan uitdrukking (5) in combinatie met een lineairerekverdeling over de hoogte van de doorsnede, ander-zijds (EI)bsvolgend uit de gemeten doorbuiging. Deresultaten, beide dus afgeleid uit de waarnemingen,blijken goed op elkaar aan te sluiten.V e r m o e i i n g s a n a l y s e e n r e s t l e v e n s d u u rVoor een aantal varianten voor de overlaging (geribdroestvast staal k= 6 mm of carbonstaven 5,4 mmnetto; staafafstand 12 of 18 mm; betondekking 6 mm;20 of 25 mm beton; totale overlaging 25 of 30 mm) ismet de theorie uit Eurocode 1-2 [8], aangevuld met in-formatie afgestemd op het analyseren van orthotropestalen brugdekken [9], het vermoeiingsgedrag geana-lyseerd. Essentieel hierbij is de relatie tussen degrootte van een wiellast en de in het stalen dek optre-dende spanningen. De door het overlagen ge?ntrodu-ceerde toename van de buigstijfheid van de dekplaatwordt in deze berekeningen uiteraard meegenomen.Dit leidt ertoe dat de staalspanningen in de kritischepunten met 70% ? 80% afnemen, afhankelijk van degekozen overlagingsvariant. De gevolgen voor de ver-wachte levensduur zijn aanzienlijk: wordt deze voorde variant `geen reparatie' op 1 jaar gesteld (schade isimmers al opgetreden), dan worden met de reparatie-alternatieven levensduurverwachtingen vanaf circa 30(Eurocode-lastspectrum) tot 40 jaar (Moerdijkbrug-lastspectrum) bereikt. Die laagste waarde geldt voorde variant met carbonstaven 6 mm, h.o.h. 18 mm, in-gebed in een betonlaag van 20 mm (totale laagdikte25 mm), bij een betondekking van 6 mm.Vermoeiing van de wapening zelf is niet maatgevend,noch voor betonstaal, noch voor de carbonstaven. Devermoeiing van beton onder druk kan wel maatge-5 |Staven ingebed in betonC90/105; betondekking3 mma. opensplijten beton-dekking gevolgd dooruittrekken geribde staafb. uittrekken carbonstaafzonder voorafgaandelangsscheurvorming inbetondekking6 |Vierpunts-buigopstellingmet proefstuk (overspan-ning 400 mm; krachtenop 100 mm van eenoplegging). Op de staal-plaat (hier onderaan) eenrekmeting middels eenrekstrookje, op de beton-nen overlaging (hierbovenaan) een verplaat-singsopnemer voor delangsvervorming over100 mm meetlengte. Aanvoor- en achterkantproefstuk een verplaat-singsopnemer voor regi-streren doorbuiging inmidden van overspan-ningO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou w78 cement 2006 80501001502000 50 100 150 200Wbs - theorie (103 mm3/m)Wbs-experiment(103mm3/m)0501001502000 50 100 150 20001002003004000 100 200 300 400Wbs - theorie (103 mm3/m)Wbs-experiment(103mm3/m)EIbsuitdoorbuiging(109Nmm2/m)EIbs uit Wcs(109 Nmm2/m)test1:1test1:1test1:10501001502000 50 100 150 200Wbs - theorie (103 mm3/m)Wbs-experiment(103mm3/m)0501001502000 50 100 150 20001002003004000 100 200 300 400Wbs - theorie (103 mm3/m)Wbs-experiment(103mm3/m)EIbsuitdoorbuiging(109Nmm2/m)EIbs uit Wcs(109 Nmm2/m)test1:1test1:1test1:1vend worden. Door gebrek aan voldoende experimen-tele onderbouwing is een relatief conservatieve aan-pak gevolgd. Deze heeft geleid tot de voorwaarde datde betondruksterkte f'bmminimaal gelijk moet zijnaan 115 N/mm2. Bij deze sterkte is de aanhechtingtussen het beton en de wapening ook niet meer maat-gevend.De kosten van een specifieke variant (geribd roestvaststaal of carbonstaven 6 mm; h.o.h. 12 mm; 25 of30 mm totale overlagingsdikte) blijken slechts vangeringe invloed te zijn op de reparatiekosten(circa 400,-/m2). Er is dan wel een aanzienlijk ver-schil tussen de theoretische restlevensduren, maardeze zijn met minimaal 70 jaar (Moerdijkbrug-last-spectrum) al van een zodanige orde, dat onderlingeverschillen niet relevant zijn.T e n s l o t t eDe strenge gewichtseisen gesteld aan een reparatie-laag van gewapend beton, aan te brengen op een be-weegbaar stalen brugdek, maken dat deze relatief dunmoet zijn. De vereiste wapening moet dan niet-corro-siegevoelig zijn, zodat een zeer geringe betondekkingvolstaat. Deze moet wel van zodanige omvang zijn datde aanhechting tussen wapening en beton is verze-kerd. Het blijkt mogelijk bij toepassing van geribdroestvast staal of carbonstaven, varianten te ontwikke-len die bij een totale overlagingsdikte van 30 mm nogaan de gewichtseis (max. 70 kg/m2) voldoen. Opge-merkt wordt dat deze overlaging alleen kan wordenaangebracht op de rechter, zwaarst belaste, rijstrook;de gewichtseis laat niet toe meer rijstroken te overla-gen.Verder vermoeiingsonderzoek op een full-scale brug-dek en het oplossen van de hoogteverschillen tussende rijstroken zullen moeten uitwijzen of het uitvoerenvan een pilotproject zinvol is. nL i t e r a t u u r1. De Jong, F.B.P., Overview fatigue phenomenon inorthotropic bridge decks in The Netherlands. Or-thotropic bridge conference, Sacramento, 2004.2. Buitelaar, P., Zeer dunne overlaging met ho-gesterktemortels. Cement 1999, nr. 7.3. Kaptijn, N., Toekomstige ontwikkelingen in zeerhogesterktebeton. Cement 2000, nr. 2.4. Buitelaar, P., Ultra thin heavy reinforced high per-formance concrete overlays. 6th Internationalsymposium on utilization of high strength / highperformance concrete. Leipzig, juni 2002.5. Braam, C.R., N. Kaptijn, P. Buitelaar, Hogesterkte-beton als brugdekoverlaging. Cement 2003, nr. 1.6. Schrieks, M.C., Lifespan enlargement of deckplates of movable steel bridges. AfstudeerrapportTU Delft, 2006.7. CUR-rapport 23, Onderzoek naar de samenwer-king van geprofileerd staal met beton. CUR, Gou-da, 1963.8. NEN-EN 1991-2:2003: Eurocode 1 Belastingen opconstructies, deel 2 Verkeersbelasting op bruggen.9. Vrouwenvelder, A.C.W.M., P.H. Waarts, S. de Wit,Algemene veiligheidsbeschouwing en modelle-ring van wegverkeersbelasting voor brugconstruc-ties. TNO-rapport 98-CON-1813.7 |Weerstandmomentsamengestelde doorsne-de van verschillendesystemen; theorie versusexperimenteel resultaat.Resultaten voor zowelbeton aan drukzijde (a)als aan trekzijde (b) vandoorsnede8 |Buigstijfheden samenge-stelde doorsnede vanverschillende systemen,berekend uit de waarne-mingen; resultaten voorbeton aan trekzijdedoorsnedeab