O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2001 798De afgelopen decennia hebbenzich verschillende schadegevallenvoorgedaan bij voorspankabels inbetonnen bruggen. Een van demeest voorkomende schades iscorrosie van de voorspankabelsdoor onvolledig ge?njecteerdevoorspankanalen. Samen met devraag naar snelle bouwmethodenen goede kwaliteitsborging, lijkteen prefab segmentbrug met uit-wendige voorspanning een goedeoplossing voor dubbeldeks auto-snelwegen.H i s t o r i eEnkele van de eerste voorge-spannen bruggen zijn de Saale-br?cke (1928) bij Alsleden (D) ende Aue-br?cke (1936) in Sachsen(D). Aangezien er nog weinigervaring was met voorspannenen het staal een lage sterkte had(fy= 520 N/mm2), werd gekozenvoor uitwendige voorspanning.Door het uitwendig aanbrengenvan de voorspankabels kondendezeeenvoudigwordennagespan-nenindiendevoorspankrachtzouafnemen. Om de verliezen doorrelaxatie van het staal en krimp enkruip van het beton te compen-seren, zijn de voorspankabels in1962 en 1980 nagespannen.De Aue-br?cke, ontworpen doorFranzDischinger,isnogsteedsingebruik en is door de Duitseoverheid op de monumentenlijstgeplaatst.Deuitwendigevoorspan-kabels van de Aue-br?cke warenslechts met een laagje bitumentegen corrosie beschermd, waar-door er al snel corrosie van dekabels ontstond.Na de Tweede Wereldoorlog werdgestreefdnaareenoptimaalmate-riaalgebruik. Het plaatsen van devoorspankabels in het beton leekeen goede oplossing om corrosievan de kabels te voorkomen enoptimaal gebruik te maken vanhet voorspanstaal. Door de kabelsin het boven- of onderdek aan tebrengen, kon bovendien de in-wendige hefboomsarm wordenvergroot. Een en ander was des-tijds aanleiding de ontwikkelingvan uitwendige voorspanningniet door te zetten.De in het beton geplaatste voor-spankabels bleken echter ookniet gevrijwaard te blijven vancorrosie. Met name bij geseg-menteerdebruggenkondenvochten dooizouten via de voegen een-voudig tot de kabels doordringen.Dit resulteerde zelfs tot het in-storten van de Ynys-y-Gwasbrugin Zuid-Wales (1985). Het Britsemoratorium op voorspanning insegmentbruggen leidde er toe datPrefab segmentbruggen metuitwendige voorspanningvoor `licht' verkeerir. G.C.M. Gaal en dr.ir. C. van der Veen, TU Delft, fac. CiTGing. N. Kaptijn, Bouwdienst Rijkswaterstaat *)*)Dit afstudeeronderzoek is uitgevoerd in samenwerking met de Bouwdienst Rijkswaterstaat, afdeling Droge Infrastructuur, ontwikkeling techniekenHet aantal files op de Nederlandse snelwegen blijft toenemen, ondanks deinspanning om dit tegen te gaan. Het verbreden van snelwegen ten behoevevan extra rijstroken is in stedelijke omgeving lastig en kostbaar. Een dubbel-deks autosnelweg biedt een oplossing om de vervoerscapaciteit uit te breidenindien in de breedte geen extra ruimte beschikbaar is, of als de aanwezigheidvan infrastructuur op het maaiveld niet meer wordt geaccepteerd.Doorgaans wordt gekozen voor ondergronds bouwen, hoewel de investerings-kosten hiervoor hoger zijn dan voor een constructie boven de grond.In dit artikel wordt ingegaan op een dubbeldeks autosnelweg die slechtsgeschikt is voor `licht' verkeer. Vrachtauto's kunnen gebruik blijven maken vande `laaggelegen' rijbaan.1 | R?mmecketalbr?cke,dwarsdoorsnede enlangsdoorsnedemiddenveld [1]O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2001 7 99deSecondSevernCrossing(1996)werd uitgevoerd als prefab seg-mentbrug met uitwendige voor-spanning.In Nederland zijn naar aanleidingvan enkele (corrosie)schadege-vallen sinds de jaren zeventignagenoeg geen prefab segment-bruggen meer gebouwd, in tegen-stelling tot in het buitenland.De verwachting is dat deze pro-blemen zijn terug te voeren totontwerp- en bouwfouten en geenverband houden met het type con-structie.Het opnieuw toepassen van uit-wendige voorspankabels is moge-lijk gemaakt door een voort-gaande technische ontwikkeling.De bescherming tegen corrosieis verbeterd en de toelaatbarevoorspankrachten zijn groter invergelijking met de beginperiodevan de (uitwendige) voorspan-technieken. Bovendien kunnende kabels ook nog worden ver-vangen indien er toch problemenoptreden.Corrosie van inwendige voor-spankabels is met name inFrankrijk, Duitsland, VerenigdeStaten en Japan in de laatste tweedecennia de oorzaak van toe-nemende belangstelling voor hetontwerpen van prefab segment-bruggen met uitwendige voor-spanning(fig.1).Binnenkortwordtbegonnen met de bouw van een`elevatedhighway'tussenBrandonen Tampa (Florida, VS) met eentotale lengte van meer dan 8 km.O n t w e r pPrefabricageisbijzondergeschiktom in korte tijd een constructie tebouwen, een noodzakelijke voor-waarde voor de aanleg van eendubbeldeks autosnelweg. Veelalhebben deze constructies eentotale lengte van 10 tot 30 km,waarbij de traditionele bouw-wijzen te kort schieten. De tech-niek is ook geschikt bij kwetsbareofontoegankelijkenatuurgebieden.Bij het Lincoln Cove Viaduct inNorth Carolina (VS) zijn zelfs depijlers `from the top' gebouwd,omdat het maaiveld ontoeganke-lijk was voor materieel.In het buitenland zijn dubbeldeksautosnelwegen geschikt voor allevoertuigen. Hoewel de vracht-wagenseenvoudiggebruikkunnenmaken van de laaggelegen rij-baan, worden toch grote investe-ringen gedaan om de dubbeldeksautosnelweg ook geschikt te ma-ken voor vrachtverkeer.In dit afstudeeronderzoek wordtslechts `licht' verkeer, met eenmassa tot 3500 kg, op het viaducttoegelaten en blijft het vracht-verkeer gebruikmaken van delaag gelegen, bestaande rijbaan.Door slechts `licht' verkeer toe telaten, kunnen de afmetingen vande koker worden gereduceerd tenopzichtevantraditionelebruggen.Dit effect wordt versterkt doordathierdoor ook het eigen gewichtwordt gereduceerd.Het verbod op voertuigen zwaar-der dan 3500 kg wordt gehand-haafd door een `weigh-in-motion'-systeem, dat het voertuig weegtvoordat het de constructie oprijdt.Deze techniek is te vergelijkenmet een hoogtemeting voor eentunnel.Naast de `technische' voordelen,biedthettoelatenvanlichtverkeernog meer voordelen:? er ontstaat een homogenerverkeersbeeld, dat leidt tot eenbetere verkeersafwikkeling;? eenvoudige afhandeling vanongevallen (geen zwaar mate-rieel nodig).Elke constructie heeft een `eindelevensduur'. Doordat de construc-tie boven een autosnelweg is gesi-tueerd, zal vervanging of repara-tie zeer lastig zijn. In verband methet aspect duurzaamheid wordtdeconstructieuitgevoerdinhoge-sterktebeton (B 85).Het ontwerp van de constructievan uiteen in drie onderdelen:kolommen en bovenbouw indwars- en lengterichting.UitgangspuntenDe constructie is ontworpen voortwee maal twee rijstroken plusvluchtstrook en inspectiepad.Doordat slechts kleine voertuigenworden toegelaten en de snelheidwordt beperkt tot 100 km/h, is debreedte van de rijstroken gere-duceerd ten opzichte van degebruikelijke breedtes zoals diezijn voorgeschreven in de Richt-lijnen Ontwerp Autosnelwegen.Het geniet de voorkeur onder dehooggelegen rijbaan een enkelerij kolommen toe te passen; ditgeeft de minste hinder voor hetverkeeropdelaaggelegenrijbaan.Gekozen is voor een segment-breedte van 22,70 m (fig. 2). Uitliteratuurstudie bleek dat voordeze breedte meestal een twee-cellige kokerligger wordt toege-past.2 | Kokerdoorsnedebovendek voor lichtverkeerO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2001 7100DwarsdoorsnedeDe dwarsdoorsnede is bepaalduit een parameterstudie, waarbijdwarskracht, momenten, scheur-wijdte en vermoeiing zijn gecon-troleerd. De toelaatbare scheur-wijdte bleek maatgevend. Hetoppervlak van de gevonden door-snedeisongeveer50%kleiner dande doorsnede die wordt gevondenmet de bekende vuistregels voortraditionele bruggen.De afmetingen van de wapeningen de dekking waren bepalendvoor de dikte van het boven- enonderdek. Het is gebruikelijk eendubbele laag wapening toe tepassen, doch hierdoor ontstondeen constructiedikte die veelgroter was dan noodzakelijk voorhet opnemen van het moment.Door te kiezen voor een enkelelaag hoofd- en verdeelwapeningkon een zeer slanke constructieworden ontworpen, die toch nogvoldoet aan alle eisen.LangsdoorsnedeDebelangrijksteverschillentussenuitwendige- en inwendige voor-spanning zijn het verloop van dekrachten en het overbrengen er-van naar de constructie door mid-del van deviators (afbuigpunten).Door een beperkt aantal afbuig-punten toe te passen, kunnenzoveel mogelijk eenvoudige seg-menten worden toegepast. Uit deliteratuur blijkt dat het plaatsenvan deviators op 1/3en 2/3van deoverspanning, het inwendige ka-belverloop het beste benaderttegen redelijke kosten.Voor het ontwerpen van de langs-doorsnede dienen de uiterstegrenstoestand en de bruikbaar-heidsgrenstoestand te wordengecontroleerd.Uiterste grenstoestandBij een traditioneel gewapendeconstructie ontstaat er in deuiterste grenstoestand (ULS) eenfijn verdeeld scheurenpatroon.Bijeengesegmenteerdeconstruc-tie zal er slechts een opening ont-staan tussen enkele segmenten.Om tussen deze segmenten deoverdracht van dwarskracht entorsie te waarborgen, wordt in deEurocode voorgeschreven dat inde ULS in de voegen tussen desegmentenovertenminste2/3vande constructiehoogte een druk-spanning aanwezig is. Met detreksterktevandeepoxylijmtussende segmenten wordt in de bere-kening van de krachtsoverdrachttussen de segmenten geen reke-ning gehouden. Door een gebrek-kige aanhechting (t.g.v. bekis-tingsolie) of door brand kan detreksterkte namelijk geheel ver-loren gaan.Een ander belangrijk aspect is dater voor prefab segmentbruggenin de ULS geen herverdeling vanmomenten is toegestaanBruikbaarheidsgrenstoestandIndebruikbaarheidsgrenstoestanddient over de gehele constructie-hoogte, onder alle belastingscom-binaties, een minimale druk-spanning aanwezig te zijn van1 N/mm2.De scheurvorming in lengterich-ting hoeft niet getoetst te worden,omdat de voorspankabels uitwen-dig zijn aangebracht en corrosiedusnietafhankelijkisvanscheur-vorming in lengterichting.WapeningDoor het uitvoeren van een para-meterstudie is voor beide grens-toestanden de benodigde wape-ning bepaald.Gebruikelijk is om de `eindvel-den', ter plaatse van de dilatatie-voeg, uit te voeren met een lengtevan 0,8 l. Een dubbeldeks auto-snelweg bestaat echter uit eengroot aantal overspanningen, dieduidelijk in het landschap aan-wezig zijn. Daarom zijn uit esthe-tische overwegingen alle over-spanningen gelijk gehouden. Hetgrotere veldmoment in de eind-velden kan gecorrigeerd wordenmet extra voorspanning.3 | Plaatsen van een seg-ment voor de SeoulExpressway, Zuid-Koreabron: VSL4 | Kostenvergelijkingtraditionele dubbeldeksautosnelweg en ontwerpbovenbouw voor lichtverkeer (guldens/m)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBr uggenbou wcement 2001 7 101U i t v o e r i n gDe segmenten worden op debouwplaats vervaardigd. Om tezorgendatdezetijdenshetassem-bleren goed aansluiten, wordt dezogenaamde `match cast'-tech-niek toegepast. Dit houdt in datelksegmenttegenhetvoorgaandewordt gestort. Om het verkeerzo min mogelijk te hinderen,worden de segmenten over hetgerede gedeelte van de constructieaangevoerd naar de plaatsings-ligger. Per overspanning wordende segmenten aan de plaatsings-ligger gehangen (foto 3), waarnade voorspankabels worden aange-bracht. Dit wordt wel de `span-by-span'-methode genoemd.De segmenten worden gestort ineen stalen bekisting, waarbij dewanddiktenauwkeurigkanwordengecontroleerd. Tijdens het af-werken van het bovendek kaneen afwijking van de gewensteplaatdikte ontstaan, die van in-vloedisophetuiterstopneembaarmoment. Deze invloed wordtversterkt door de zeer kleineconstructiehoogte. Een reductievandetotalecontructiehoogtevan120 mm met 10 mm, resulteert ineen reductie van het uiterstopneembaar moment van 17%.Om de mogelijk te geringe dek-dikte te compenseren, wordt deze10 mm vergroot.B o u w k o s t e nDe totale bouwkosten van hetalternatief voor `licht' verkeer zijnvergeleken met een constructiedie ter plaatse wordt gestort engeschikt is voor `zwaar verkeer(fig. 4). De plaatsingsligger isafgeschreven over een denkbeel-dige trac?lengte van 10 km.Uit de vergelijking blijkt dat deprefab segmentbrug met uitwen-dige voorspanning 50% goed-koperisdandeterplaatsegestortevariant. Deze sterke reductie vande bouwkosten wordt in hoofd-zaak veroorzaakt door het prefa-briceren en door de aanzienlijkeslankere dwarsdoorsnede.T e n s l o t t eDubbeldeks autosnelwegen metuitwendige voorspanning voor`licht'verkeerzijntechnischmoge-lijk en economisch zeer interes-sant. Wil de overheid in de toe-komst overgaan tot het bouwenvan een dergelijke weg, dan is deacceptatie door de burgers hetbelangrijkste aspect. Deze valt ofstaatbijdeesthetischevormgevingvan de constructie (fig. 5). L i t e r a t u u r1. Bruggeling, A.S.G.,Uitwendige voorspanning inbetonbruggen (I). Cement1994, nr. 9.5 | Artist impression dub-beldeks autosnelweg terplaatse van AmsterdamArenabron: B. van Vlimmeren,Bouwdienst Rijkswaterstaat