ir.C.Quartel, Spanbeton BV, Koudekerk aan den Rijn In het vorige nummer van Cement( 7/8) zijn ontwerpen uitvoeringvan het Boogviaduct be- licht. Dit viaduct vormt een belangrijk onderdeel van de in aanbouw zijnde Ringlijn in Am- sterdam. De Ringlijn op zijn beurt wordt de sneltramverbinding van Amsterdam-Zuidoost naar Sloterdijk (noord-west). In dit tweede artikel aandacht voor ontwerp, fabricage en montage van de toegepaste ko- kerliggers die een horizontale boogstraal hebben tot 235 m. RINGLIJN AMSTERDAM (II) PREFABRICAGE VAN HORIZONTAAL GEBOGEN LIGGERS De redenen voor prefabricage van het boog- viaduct zijn in het eerste artikel aangegeven. Het door Ingenieursbureau Amsterdam ge- maakte voorstel is door Spanbeton tech- nisch vertaald en tevens is een richtprijs in- gediend. Op basis hiervan is het bestek voor de gehele constructie uitgewerkt. Ontwerp De vraag of horizontaal gebogen liggers ge- prefabriceerd kunnen worden, leidt tot ont- werpvragen die in dit artikel worden beant- woord. 1. Welke balkafmetingen zijn nodig. 2. Hoe worden de stabiliteit van de enkele lig- ger en hetsamengesteldebrugdekverzorgd. 3. Welke krachtswerkingen treden op. 4. Hoe wordt een dergelijke ligger voorge- spannen. 5. Aan welke eisen moet de bekisting vol- doen en op welke wijze moet die worden ge- maakt. Balkafmetingen en stabiliteit In het voorontwerp werd uitgegaan van een doorsnede van het enkelsporige viaduct met een minimale breedte van het ballastbed van 4,5 m. Dit werd bepaald door het beno- digde profiel van vrije ruimte bij de aanwezige boogstraal. Daarnaast bepaalden service- voorzieningen zoals inspectiepad en kabel- en leidingruimte de breedte van het brug- dek. Inclusief de randelementen is de uit- wendige breedte 6,20 m (fig. 1 en 2). (1) Dwarsdoorsnede van een enkelspoors brug en de maatvoering van een gebogen balk (2) Boven- en zijaanzicht gebogen balk 46 Het aantal liggers in de doorsnede wordt be- paald door de massa van de afzonderlijke liggers. Liggers en ondersteuningen moeten in hoog- te een gelijk beeld over de gehele lengte van hetviaduct bezitten (foto3). Daarom is geko- zen voor inhangliggers met een maximale lengte van 40 m en pijlertafels van circa 4,5 m lengte. De trace's van beide viaducten zijn een com- binatie van constante boogstralen en over- gangsbogen. De middenzones van beide trace's liggen in een minimale boogstraal van 235 m. Een ligger van 40 m in een boogstraal van 235 m vertoont in het midden een afwijking ten opzichte van de rechte verbindingslijn tussen de oplegpunten van 900 mm. Alleen al de reacties door het eigen gewicht leveren bij de balkeinden een grote excentri- citeit op ten opzichte van de liggeras. Bij een prismatische ligger bedraagt de excentrici- teit 600 mm. Verder ontstaan door deze boogvorm torsiemomenten in de ligger. Om de stabiliteit van de ligger in alle stadia te waarborgen, moet de ligger voldoende tor- siestijfheid bezitten en een minimale breed- te hebben gelijk aan twee maal de excentrici- teit van de eigen gewicht-resultante. Op ba- sis van deze uitgangspunten is een liggerin- deling gekozen waarbij drie torsiestijve ko- kerliggers, breed 1450 mm, met onderlinge voegen van 50 mm een brugdek vormen. De onderbreedte bedraagt 4450 mm. De liggerhoogte van 1650 mm volgde uit het benodigde draagvermogen. De massa van de ligger is 114 ton en dit is op de fabriek, bij op- en overslag en montage nog net hanteer- baar. Hoewel de afmetingen van deze kokerligger afwijken van de door Spanbeton gestan- daardiseerde SKK kokerliggers, kon het prin- cipe worden gevolgd. Dit resulteerde in een onderlinge verbinding van de kokerliggers met ter plaatse te storten voegen, hoog 330 mm, en een dwarsvoorspanning in het brug- dek hart-op-hart 1200 mm. Omdat de balkeinden met de tandconstruc- tie over een bepaalde lengte massief zijn, ontstaat een gunstig effect op de excentrici- teit van de oplegreactie door eigen gewicht. Zodoende kon de excentriciteit tot 540 mm beperkt blijven. () Liggers en ondersteuningen vormen één doorgaande lijn foto: BetonPrisma, Bob de Ruiter Torsie-effecten Aan de hand van computerberekeningen vol- gens de elementemethode is het gedrag van een brugdek dat uit drie kokerbalken is sa- mengesteld, nauwkeurig geanalyseerd. De hoofdkrachtswerking in lengterichting is op de spreekwoordelijke sigarendoos min of meer voorspelbaar. Maar de torsie-effecten vereisen een nauwkeurige studie. Bedacht moet worden dathetgezamenlijke draagver- mogen afhankelijk is van de torsiestijfheid van de onderlinge liggers. Secundaire krachtswerkingen zoals middel- puntvliedende krachten, temperatuurspan- ningen in de spoorstaven en windbelastin- gen leveren een bijdrage aan de grootte van de torsiemomenten. Figuur 4 brengt de grootte van de torsiemo- menten en de verdeling over de liggerlengte in beeld voor de rustende en mobiele belas- tingen. De optredende uitwendige belastin- gen veroorzaken torsiemomenten ter groot- te van 900 kNm. (4) Torsiemomenten in een enkelspoors brugdek vanaf de oplegging tot halverwege de overspanning 47 Hoe groot de torsiestijfheid van de toegepas- te kokerligger is, blijkt uit de berekende ver- vormingter plaatse van het balkmidsden on- der invloed van het eigen gewicht. Het effect van de totale rotatie ?, uitgedrukt in ?? balk- breedte, bedraagt niet meer dan 1 mm. De voorspanning In theorie verschilt het voorspannen van een niet rechte prismatische ligger niet van het voorspannen van een rechte ligger. Uit- gangspunt van voorspannen is immers het aanbrengen van een voorspankracht in de neutrale lijn van de ligger. Deze kracht levert een constante drukspannlng op in de door- snede en de ligger ondergaat een verkorting die over de gehele lengte constant is. Indien de werklijn van de voorspankracht af- wijkt van de neutrale lijn, ontstaan buigende momenten en bijbehorende hoekverdraaiin- gen. Uitgangspunt bij het voorspannen van de ge- bogen ligger is dan ook geweest de voor- spankracht evenwijdig aan de neutrale lijn aan te brengen. Dit kan op betrekkelijk een- voudige wijze worden gerealiseerd volgens het principe van 'naspannen'. Kabels wor- den opgenomen in ingestorte buizen die in een vloeiend verloop de balkas volgen. Na verharden van het beton worden de kabels gespannen. Bij Spanbeton Is echter het langebank-sys- teem de basis voor het vervaardigen van voorgespannen liggers. Daarbij wordt het principe van voorgerekt staal gehanteerd. Voor de gebogen liggers Is daarom gezocht naar een mogelijkheid de voorspanning op deze wijze aan te brengen. De onderzochte en toegepaste methode wordt hierna be- schreven. (E) Voorspansysteem stangenveelhoek Het systeem Bij het langebank-systeem worden de voor- spanstrengen door de bekisting geleid en voor het betonneren op spanning gebracht. Daartoe worden de strengen aan weerszij- den van de bekistingselnden aan vast opge- stelde spaninstallaties bevestigd. Het ele- ment wordt voorgespannen als, na verhar- den van het beton, de spaninstallaties hun spankrachten van de strengen afnemen. De strengen dragen dan hun elastische verkor- tingskrachten op de koppen van het beton- element over door de hechting aan het be- ton. Om bij de gebogen ligger zoveel mogelijk de neutrale lijn te volgen, moeten de strengen op regelmatige afstand in het horizontale vlak worden afgebogen. Het voorspansys- teem krijgt dan de gedaante van een stan- genveelhoek met axiale en radiale (afbuig-)- krachten (fig. 5). De liggers worden voorgespannen met 85 strengen 0,5", kwaliteit FeP 1860. De effec- tieve voorspanning F p(oneindig) bedraagt ter plaatse van de middendoorsnede 8800 kN. Bij dit systeem worden de volgende opmer- kingen geplaatst. 1. Omdat de strengen tussen de afbuigpun- ten een recht verloop hebben, wijkt de werk- lijn van de voorspankracht in het horizontale vlak af van de neutrale lijn. Hierdoor ontstaan buigende momenten en dus vervormingen die de boogvorm van de ligger beïnvloeden. De grootte van de buigende momenten is recht evenredig met de afstand van de werk- lijn tot de neutrale lijn. De oppervlakten van de op deze wijze te onderscheiden moment- vlakjes zijn een directe maat voor de grootte van de vervorming. Met het doei deze vervormingen zo veel mo- gelijk te beperken, zijn de afbuigvoorzienin- gen zodanig gepositioneerd dat de werklijn van de voorspanningals het ware slingert om de neutrale lijn (fig. 6). Uitgangspunt is dat de som van de momentvlakjes nul is. 2. In verticale zin is de werklijn van de voor- spankracht excentrisch waardoor grote op- buigende momenten in de ligger ontstaan. Deze opbuigende momenten zullen even- wicht maken met de later op te brengen uit- wendige belastingen. Voor het beheersen van de spanningen over de ligger moet de excentriciteit van de voor- spanning ter plaatse van het balkeinde wor- den gereduceerd. Hiertoe wordt een aantal strengen ook in verticale richting afgebogen (fig. 7). 3. Omdat de horizontale afbuigkrachten zich ter hoogte van de in verticale richting excen- trisch gelegen werklijn van de voorspanning bevinden, ontstaan tevens torsiemomenten (fig. 8). Deze torsiemomenten moeten wor- den gesuperponeerd op de torsiemomenten van de uitwendige belasting. Afbuigvoorzieningen De strengen worden afgebogen met spe- ciaal ontwikkelde afbuigvoorzieningen die In de balk worden Ingestort. Tijdens fabricage en verharding dragen deze voorzieningen op hun beurt de afbuigkrach- ten over op de bekistingsinstallatie. De onderlinge afstand van de afbuigvoorzie- ningen is bepaald in een studie waarbij de volgende aspecten zijn beoordeeld: () De werklijn van de voorspanning en de neutrale lijn vallen vrijwel samen (voorspan- ningslijn /'s 9 mm verplaatst in radiale rich- ting) 48 (7) Werklijn voorspanning in boven- en zij- aanzicht (8) Torsiemomenten ten gevolge van de voorspanning (9) Overzicht afbuigvoorziening (10) Bekisting gevuld met polystyreen ? de grootte van de afbuigkracht; ? het aantal in te storten (verloren) voorzie- ningen; ? de dikte van de zijwanden ín relatie tot het balkgewicht vanwege de afwijking van de rechte lijn ten opzichte van de gebogen as van de balk; ? de optredende vervormingen. De afstand van de afbuigvoorzieningen is be- paald op 6000 mm, waarbij afbuigkrachten van 300 kN optreden. In een 40 m lange balk worden zes afbuig- voorzieningen aangebracht die elk aan alle strengen een afbuiging opleggen van 1,5 °. De afbuiging roept vervolgens wrijvings- krachten op die in een aparte proefopstelling zijn bepaald. Daarbij is een wrijvingsverlies van circa 1,5% per afbuigvoorziening be- paald die in de spanningsberekeningen me- de in beschouwing is genomen. Foto 9 geeft een indruk van een afbuigvoorziening. De Bekisting Voor de produktie van de 90 liggers is een speciale bekisting ve rvaardigd. Twee aspec- ten hadden grote invloed op het ontwerp van deze bekisting. Flexibiliteit door verschillende boogstralen Al eerder is aangegeven dat beide enkelspo- rige viaducten een geheel bochttracé vor- men, wat inhoudt dat een viaduct zowel uit rechte gedeelten, overgangsbogen en con- stant gebogen gedeelten bestaat. Als al deze gedeelten exact volgens hettheo- retisch ontwerp waren gemaakt, zouden 12 verschillende bekistingsvormen nodig zijn geweest. Dit staat op gespannen voet met het uitgangspuntvan prefabricage: uniformi- teit. Om hieraan tegemoet te komen is besloten de overgangsboogdelen te benaderen door constant-gebogen brugdelen. Vuistregel daarbij is dat de maximale afwijking van de ligger ten opzichte van de theoretische lijn nooit meer dan 50 mm mag bedragen. Hiermee was het mogelijk het aantal hoofd- vormen terug te brengen tot vijf: recht, R = 235 m, 290 m, 580 m en 1600 m. Ontwerpuitgangspunt voor de bekisting was: maak één bekisting waarin minimaal de vijf genoemde hoofdvormen kunnen worden vervaardigd en waarbij de vormveranderin- gen met geringe inspanningen gemaakt kun- nen worden. Het resultaat: één bekisting waarin alle mo- gelijke boogstralen tussen R = oneindig en R = 200 m kunnen worden ingesteld. 49 Afbuigkrachten De bekistingsinstallatie moet de afbuig- krachten van 300 kN per afbuigpunt kunnen opnemen. Van belang daarbij is dat de af- buigpunten zowel tijdens fabricage als tij- dens het aanspannen van de verharde balk 'actief moeten zijn. Een en ander is gereali- seerd door speciaal ontwikkelde aanslag- nokken per afbuigpunt aan beide zijden van de bekisting aan te brengen. Deze nokken fixeren de afbuigvoorzieningen en vormen na verharding van de balk een zij- delingse aanslag. De bekisting is vervaardigd door de firma Grimbergen uit Alphen aan den Rijn. Fabricage De 90 liggers zijn vervaardigd in de periode juni '93 tot maart '94. Het fabricagetempo was aanvankelijk één balk per twee dagen. Maar, nadat voldoende ervaring was opge- daan, is dit tempo opgevoerd tot één balk per dag. Per balk is verwerkt circa 45 m 3 beton, 2700 kg voorspanstaal en 2000 kg betonstaal. De benodigde betondruksterkte op het tijdstip van spannen is F ckJ = 40 MPa. De 28-daagse sterkte bedraagt minimaal 55 N/mm 2. De SKK liggers worden 'hol' gemaakt door speciaal vervaardigde polystyreen-blokken in de balkdoorsnede aan te brengen (foto 10). Om het gedrag en de kwaliteit van deze vulling te bepalen zijn, voorafgaand aan de produktie, proeven uitgevoerd op elementen van 6 m lengte met dezelfde profielafmetin- gen als de te maken balken. Op basis van de proef Is gekozen voor een hoogwaardig type polystyreen waardoor de inwendige balkaf metingen betrouwbaar zijn. Het vervormingsgedrag van de balk in hori- zontale richting werd met aandacht gevolgd. Figuur 11 geeft een indruk van de gemeten afwijkingen van de krommingen van de bal- kenserie met / = 40 m en R = 235 m. De ge- geven waarden zijn de totale afwijkingen in het balkmidden ten opzichte van de theoreti- sche maat. Opgemerkt wordt dat de bekis- ting zelf een instelllngsafwijking vertoonde van circa 5 mm. De overige vervorming kan het gevolg zijn van de voorspanning - duide- lijk is dat de invloed hiervan gering is. 50 @ Schematische weergave dwarsvoor- spanning om de 1,20 m voor de balken 1, 2 en 3 (bovenaanzicht) Recente opname foto: Aerovieuw, Dick Sellenraad Transport en montage De montage van de liggers ¡s in drie fasen verdeeld. In fase 1 (mei '94) zijn 45 balken geplaatst. Hiermee is het gehele binnenboogviaduct vormgegeven. Fase 2 heeft plaats in september '94. In fase 3 (voorjaar '95) worden de laatste zes velden gemonteerd. Door de gecompliceerde omstandigheden op de bouwplaats zijn de transport- en mon- tageactiviteiten zeer nauwkeurig vastgelegd in een draaiboek, wat tot stand is gekomen met alle betrokken partijen. Veel montage- werk gebeurt in nachten en tijdens weekein- den. De liggers worden per ponton naar de loswal aan de Duivendrechtse vaart vervoerd. Op een ponton kunnen drie balken worden ge- plaatst, evenveel balk en als het aantal per veld. Vervolgens worden de liggers over een af- stand van circa één km met speciale lorries naar de bouwplaats gereden. Mobiele kra- nen met een capaciteit van 400 en 500 ton plaatsen de balken (foto 12). Transport en montage worden verzorgd door firma Van Seumeren uit De Meern. Elke ligger wordt geplaatst op vier opleggin- gen van gewapend rubber. De liggers van 40 m met een boogstraal van 235 m dragen slechts op twee rubbers. De andere twee worden pas benut voor de naderhand op te brengen belasting als de liggers door de dwarsvoorspanning onderling zijn verbon- den. Ter voorkoming van kantelen van de liggers worden de balkuiteinden tijdelijk (tot na het aanbrengen van de dwarsvoorspanning) met verticale koppelsteven M 32 verbonden met de oplegtafel. Elk veld bestaat uit drie liggers met gelijke boogstraal, waardoor de voegbreedte met circa 5 mm varieert op de totale breedte van 50 mm. De liggers verschillen in lengte, zo- dat het veld goed aansluit aan de pijlertafels. De dwarsvoorspanning bestaat uit voor- spanstaven type Dywidag diameter 26 mm en 32 mm, hart-op-hart 1,20 m. Figuur 13 geeft schematisch aan hoe de dwarsvoorspanning per veld wordt aange- bracht. Slot Dit project toont aan hoe door een niet alle- daagse manier van denken in de eerste fase van het ontwerp, een nieuwe ontwikkeling kan worden ingezet. De wijze waarop het idee 'gebogen ligger' vervolgens is uitgewerkt, geeft aan dat de ontwerptechniek en de fabricagemogelijk- heden zodanig algemeen zijn opgezet dat hiermee een nieuwe trend in het bouwen met geprafabriceerde liggers is ingezet. Daarbij wordt tegemoetgekomen aan de wensen van de vormgevers. 51