C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouwcement 2001 4 55De Heinoseweg is onderdeel vande N 35. Deze weg takt aan denoordkant van Zwolle af van de A28, is de route richting Raalte enkruist de spoorlijn Zwolle ?Herfte-aansluiting. De onder-doorgang biedt ruimte aan tweerijbanen met elk twee rijstrokenvoor het wegverkeer en een door-gang voor fietsers en voetgangers(fig. 1).De rijbanen worden van elkaargescheiden door betonnen bar-riers. Het profiel van vrije ruimtevoor het wegverkeer heeft eenhoogte van 4600 mm. Het lang-zaamverkeer heeft een ander ver-ticaal alignement gekregen, om-dat de benodigde vrije hoogte ge-ringer is (fig. 2). Deze constructievereist een in hoogte verlopendekeermuur tussen de rijweg enhet fiets-/voetpad om het hoogte-verschil te overbruggen (fig. 3).V o r m g e v i n gIn het ontwerp van deze onder-doorgang is ernaar gestreefd metbeperkte middelen een verzorgden open uiterlijk te cre?ren. DoorEerste toepassing in Nederland bij onderdoorgang Heinoseweg te ZwolleRuim baan met staalvezelversterktonderwaterbetoning. ?. Boersma, ir. R.W.M.G. Heijmans, ir. J.A.G. JansenARCADIS Bouw/Infra, AmersfoortZwolle wordt doorsneden door verschillende spoorlijnen, waardoor er veelkruisingen zijn van weg en spoor. In de afgelopen jaren heeft de gemeenteZwolle de weginfrastructuur sterk uitgebreid en tezamen met NS Rail-infrabeheer veiliger gemaakt door spoorwegovergangen te vervangen doorongelijkvloerse kruisingen. Onlangs is de onderdoorgang Heinoseweg gereed-gekomen. Dit project wordt gekenmerkt door een aantal bijzondere aspectenzoals een ingeschoven gewapend betonnen dek en de toepassing van onder-waterbeton, versterkt met staalvezels.1 | Situatie onderdoorgangHeinoseweg2 | Dwarsdoorsnede terplaatse van spoor-kruisingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouwcement 2001 456ranke kolommen toe te passenblijft een grote openheid metoptimaal doorzicht gewaarborgd.Het spoordek lijkt dun doordatde randen verjongd eindigen ineen bolvormig aanrijdijzer. Descheiding tussen rijweg enfiets-/voetpad wordt versterktdoor conische kolommen.Ook aan de detaillering is veelaandacht geschonken, bijvoor-beeld door het lijnenspel dat inde wanden is aangebracht endoor de vormgeving van de land-hoofden van het spoordek. Omde cohesie te versterken, is hetgehele kunstwerk in dezelfdekleurstelling uitgevoerd metbetonverf in pastel zandkleur(foto 4).B o u w f a s e r i n gVooruitlopend op de start van debouw zijn naast de bestaandeoverweg tijdelijke overgangenvoor het verkeer gemaakt. Ver-volgens is de Heinoseweg ver-legd en is de bestaande overwegopgeheven; op die locatie is deonderdoorgang gebouwd.Om de treinenloop zo weinig mo-gelijk te hinderen, is de onder-doorgang gebouwd zonder hulp-bruggen. Hierbij wordt een be-tonnen dek naast de spoorbaangemaakt, dat tijdens een be-perkte buitendienststelling overeen schuifbaan in zijn definitievepositie wordt gebracht (fig. 5).Het dek is gefundeerd op stalenbuispalen. Een complicerendefactor hierbij was de bovenlei-ding van de spoorbaan, die gedu-rende de nacht opzij moest wor-den getrokken om het heien vanzowel de palen als de damwandvoor de bouwkuip mogelijk temaken. Op de stalen palen isgedurende een buitendienststel-ling de schuifbaan aangebrachten het betonnen dek met spooren al ingeschoven. Na het makenvan de spooraansluitingen konhet treinverkeer weer gebruikmaken van de spoorbaan.Onder het spoordek is vervol-gens de grond ontgraven, waarbijal snel het grondwater werdbereikt. Hierna werd tot de ver-eiste diepte nat ontgraven en iseen onderwaterbetonvloer aange-bracht, verankerd aan de stalenfunderingspalen van het spoor-dek. Bemaling was niet mogelijkomdat het onderliggende zand-pakket zeer doorlatend is en indirecte verbinding staat met deIJssel. Na droogzetten van debouwput zijn de vloer en de wan-den van de onderdoorgang gere-aliseerd. Hierbij werden de wan-den gestort tot circa een halvemeter onder het spoordek. Delaatste halve meter is met eenkrimparme mortel van bovenafgestort door stortgaten in het dek.S t a a l v e z e l v e r s t e r k to n d e r w a t e r b e t o nBij het ontwerp van de onderwa-terbetonvloer is een afweginggemaakt tussen verschillendealternatieven:? een ongewapende vloer methet minimaal benodigde aan-tal palen voor de schuifbaan,dat wil zeggen paalrijen hart-op-hart circa 9 m;? een ongewapende vloergecombineerd met het aan-brengen van extra paalrijen(palen hart-op-hart circa4,5 m);? het toepassen van staalvezel-3 | Langsdoorsnede4 | Onderdoorgang voltooidC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouwcement 2001 4 57versterkt onderwaterbeton bijde grote overspanning van 9 m.Om verschillende redenen is ge-kozen voor toepassing van staal-vezelversterkt onderwaterbeton.Van deze oplossing zijn de kos-ten het laagst. Van belang istevens het risico dat wordt gelo-pen bij ongewapend onderwater-beton bij grote overspanningenin combinatie met wisselendespoorbelastingen. Door de duc-tiele eigenschappen van hetvezelversterkte beton is dit veelminder gevoelig voor eventuelesteunpuntszettingen en wisse-lende belastingen. De sterkte vanhet materiaal is beter te garande-ren dan de treksterkte van beton,waar ongewapende constructieshet van moeten hebben. Het aan-brengen van de extra palenrij zouook een goede oplossing zijn ge-weest, dit zou evenwel tegen ho-ge kosten gedurende extra nach-telijke buitendienststellingenmoeten gebeuren. Omdat voorde toeritten zonder problemenbetonpalen konden worden inge-bracht, is daar ongewapend onder-waterbeton toegepast met een klei-nere hart-op-hartafstand van depaalrijen dan bij de spoorkruising.Op basis van positieve ervaringenbij de bouwput aan de PotsdamerPlatz in Berlijn [1] zijn ook inZwolle Dramix-vezels toegepast.De hierbij gebruikte betonsa-menstelling is gegeven in tabel 1.De vezels zijn in de betonmortel-centrale aan de specie toege-voegd. Ter controle van de homo-geniteit van het mengsel zijnmonsters genomen voordat despecie vanuit de mixer in debetonpomp ging. Om de vezel-concentratie te meten zijn destaalvezels met een magneet uitde specie verwijderd en gewo-gen. Alle monsters bleven ruimbinnen de gestelde concentratie-toleranties. Door Bekaert zijn opde bouwplaats proefbalken gestortmet hetzelfde mengsel en vervol-gens in het laboratorium meteen vierpunts-buigproef beproefdovereenkomstig CUR-Aanbeve-ling 35 [2]. De sterkte van de proef-balken voldeed aan de eisen.De verwerkbaarheid van de spe-cie was uitstekend. Vanaf destortpijp werd vrijwel de geheleput bestreken, zodat de specie20 m is uitgevloeid.Tijdens het droogzetten van debouwput is de vervorming van deonderwaterbetonvloer gemeten.Hiervoor zijn in het nog onver-harde onderwaterbeton verticalestalen staven aangebracht, voor-zien van een meetlijn (fig. 6).Tevens zijn de stalen funderings-palen voorzien van meetlijnen.Bij elke meter verlaging van dewaterstand in de put zijn de ver-vormingen gemeten. Op dezewijze kon de opbolling van devloer goed worden gevolgd. Na hetdroogzetten van de put bleek ernauwelijks sprake te zijn vanscheurvorming van het onderwa-terbeton, behoudens een diago-nale scheur in een hoek van deput. Deze was nagenoeg nietwatervoerend. Aan de bovenzijdevan de vloer werden geen buig-scheuren waargenomen.Voor voorspelling van het con-structiegedrag is met PLAXISeen model gemaakt van de bouw-put. Het onderwaterbeton ishierbij gemodelleerd als grond-laag met een grote druksterkteen een gelimiteerde treksterkte.Een belangrijke parameter in hetmodel is de stijfheid van de fun-deringspalen. Deze is handmatigbepaald, rekening houdend metde belasting van het spoordek.Door deze voorbelasting gedra-tabel 1 | Samenstelling van 1 m3betonCEM III 42,5 (kg) 335zand 0/4 (kg) 725grind 4/32 (kg) 1035superplastificeerder (% m/m) 1,34water (l) 200Dramix RC-80/60-BN (kg) 305 | Langsdoorsnede terplaatse van schuifbaan6 | Onderwaterbetonvloermet meetraaienC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouwcement 2001 458gen de trekpalen zich relatiefstijf, waardoor te verwachten isdat de vervorming met name tus-sen de palen in het veld optreedt.Het vervormingsbeeld volgenshet PLAXIS-model bevestigt dezeverwachting en komt overeenmet de gemeten vervormingen(fig. 7). Tevens is geconstateerddat er slechts zeer beperkt sprakeis van scheurvorming door bui-ging.B e r e k e n i n gStaalvezelversterkt onderwater-beton is in principe niet andersdan regulier onderwaterbetonwaaraan ? naast de vezels ? eensuperplastificeerder is toege-voegd voor de verwerkbaarheid.Het mechanicagedrag van con-structies waarin het wordt toege-past, is echter significant andersop het moment dat scheurvor-ming van het materiaal optreedt.In de ongescheurde fase spelenvezels feitelijk geen rol, omdat debijdrage aan de rekstijfheid mini-maal is ten opzichte van die vande betonmatrix.Uitgangspunt voor de bereke-ning van onderwaterbetonvloerenin spoorconstructies is de model-lering tot ongescheurd veronder-stelde vloer, ondersteund doortrekpalen en damwanden methun respectievelijke veerstijfhe-den. Dit wordt gerechtvaardigddoor de veelal smalle en langwer-pige bouwkuipen. Om scheur-vorming ? en daarmee in eersteinstantie het gevaar van lekkages? te vermijden, wordt bros bezwij-ken beschouwd, met de bijbeho-rende veiligheidsfactoren.Als staalvezels worden toege-voegd, zullen deze na scheurvor-ming steeds meer onder span-ning komen en trekbelastingenopnemen, tot het bereiken vande vloeispanning. De hiertoebenodigde vervorming van devezels moet met name wordengeleverd door het `slippen' ervan,te vergelijken met de veranke-ring van een trekstaaf. Dit vereisteen goede verankering van devezels, die overigens ook weerniet t? goed moet zijn, omdatanders per saldo nog een brosgedrag ontstaat. Het gebruik vanvezels met gehaakte verankerin-gen blijkt aan deze voorwaardente voldoen.Het mobiliseren van vezels kandoorgaan totdat ook de uiterstevezels op het punt staan te gaanvloeien; dan is een plastischmoment:mp= iAiaiontstaan (fig. 8),met ials vloeispanning, Aialsoppervlak en aials inwendigehefboomsarm van het elementje i.Figuur 9 toont ter vergelijking delast-verplaatsingsdiagrammenvoor ongewapend beton en staal-vezelversterkt beton. Te zien isdat (ductiel) `nascheurgedrag'wordt verkregen. Na scheurenwordt een treksterkte bereikt dieonder de scheurtreksterkte vanbeton ligt. Dit betekent dat hetminimale wapeningspercentagezoals dat voor gewapend beton isgedefinieerd, niet wordt gehaald.Hiervoor zou een hoeveelheidvezels van ongeveer 60 kg/m3nodig zijn; ongeveer tweemaalzo veel als toegepast in hetonderwaterbeton. Dat is een hoe-veelheid die slecht verwerkbaaren bovendien oneconomisch is.Door het plastische gedrag vaneen staalvezelversterkte doorsne-de is het namelijk mogelijk, con-form de plasticiteitsleer, met her-verdeling van spanningen bin-nen de onderwaterbetonvloer terekenen. Alleen bij het bereikenvan het (laatste) vloeischarnier,waarbij een mechanisme ont-staat, is het niet voldoen aan hetcriterium van minimum-wape-ningspercentage van belang.Deze doorsnede moet als eenongewapende betondoorsnedeworden beschouwd, met bijbeho-rende veiligheidsbenadering.Uitgaande van het eerder ge-noemde liggermodel zal bij eentoenemende belasting scheur-vorming ontstaan. Het momentter plaatse zal terugvallen tot mp,met een bijbehorende wijzigingin de momentenlijn, maar debelasting kan verder wordenopgevoerd totdat ergens andersscheurvorming ontstaat. Op dezewijze zal in principe in allesteunpunten en veldmiddenseen vloeischarnier met capaciteitmpontstaan. Derhalve zou directhet mechanisme ? een ligger op-7 | Vervormingen berekendmet PLAXIS, vergroting2000 maal, uiterstevervorming 1,07 mm8 | Rek- en spannings-verloop van gewapendbeton (a), ongewapendbeton (b) en staalvezel-versterkt beton (c)9 | Last-verplaatsingsdia-gram volgend uit vier-puntsbuigproevena. ongewapend betonb. staalvezelversterktbetonC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouwcement 2001 4 59gelegd op twee palen, met vloei-scharnieren bij de steunpuntenen in het veldmidden ? kunnenworden bekeken. Het maaktdaarbij niet uit of er sprake is vaneen relatief slappe paalfunderingmet een negatieve momenten-lijn, of een relatief stijve funde-ring zoals in Zwolle, waar demomentenlijn steeds per veldvan teken wisselt. Een randvoor-waarde bij dit alles is wel dat derotatiecapaciteit van de doorsne-den voldoende is om de hele `ont-staansgeschiedenis' van de vloei-scharnieren mee te maken. Dezevoorwaarde moet wordengetoetst aan de resultaten vanproeven en zal veelal nabij heteerste trekelement naast eendamwand het meest kritischzijn. Uit proefresultaten volgttevens dat bij het beschouwdetoepassingsgebied de hoogte vande betondrukzone voldoende isom waterdichtheid te waarborgen.Rekening houdend met de beno-digde veiligheid op bros bezwij-ken bij het bereiken van het laat-ste vloeischarnier dient qd;maxtevoldoen aan (fig. 10):12 mr;rep_ qd;maxl = mp+ _____8 waarin:qd;maxis de rekenwaarde van deresulterende opwaartsedruk;mp;dis de rekenwaarde van hetplastisch moment;mr;repis de representatievewaarde van het scheur-moment van ongewapendbeton; is een veiligheidsfactordie bros bezwijken enimperfecties door de uit-voeringswijze afdekt.Afhankelijk van de paalstramie-nen en/of randinvloeden zijnook andere bezwijkmechanis-men te toetsen. Voorts dienen detrekelementen en de verankeringaan het onderwaterbeton te wor-den getoetst.In geval van diepe bouwputtenzou van de aanwezige stempel-kracht gebruik kunnen wordengemaakt. In plaats van mpzou-den dan M-N-interactiediagram-men kunnen worden gehanteerdom de doorsnedecapaciteit te be-palen.De methode zou kunnen wordengezien als een mix van debezwijkmechanismen A en B bijhet bepalen van de uiterstegrenstoestand voor de korte rich-ting conform CUR-Aanbeveling77 voor onderwaterbetonvloeren.Mechanisme A, het drukbogen-systeem, wordt daarbij vervan-gen door een boog met een trek-band die wordt gevormd door destaalvezels. Mechanisme B, hetbros bezwijken, is van toepassingop het ontstaan van het laatstevloeischarnier.C o n c l u s i e sDe eerste toepassing van staalve-zelversterkt onderwaterbeton inNederland heeft aan de verwach-tingen voldaan. De verwerkbaar-heid is met een juiste mengsel-keuze goed zeker te stellen.Staalvezelbeton heeft in deze toe-passing iets tegenstrijdigs inzich. Omwille van de veiligheids-filosofie zal met een fors lageretreksterkte moeten worden gere-kend dan in de praktijk aan deorde zal zijn. Omdat voor deconstructie (vooralsnog) zekereminimale dimensies moetenworden aangehouden, zal eendergelijke constructie veelal on-gescheurd blijven, waardoor devezels niet werken. Het toepas-sen van vezels moet meer wor-den gezien als een `verzekerings-premie' dan als een materiaal datde capaciteit van de constructievergroot.In specifieke gevallen is het goedmogelijk met staalvezelversterktonderwaterbeton een economi-sche oplossing te cre?ren. Hetgebruik van staalvezels komt inzijn algemeenheid in beeld bijgrote belastingen en/of groteoverspanningen, geringe nor-maalkrachten, grote stijfheids-verschillen tussen damwand entrekelementen, dynamische be-lastingen en verhinderde opge-legde vervormingen. Het projectin Zwolle geeft aan dat verdereuitnutting van het materiaal veelperspectieven voor de toekomstbiedt. L i t e r a t u u r1. Jasinski, H., C.Barten enC.Raijmakers, 22000 m2onderwaterbeton. Cement1996, nr. 9.2. CUR-aanbeveling 35,Bepaling van de buigtrek-sterkte, de buigtaaiheid en deequivalente buigtreksterktevan staalvezelbeton. Bijlagebij Cement 1994, nr. 2.3. Heijmans, R.W.M.G,J.A.G.Jansen, Verkenningstaalvezelversterkt onderwa-terbeton, onderzoek naar detoepassingsmogelijkhedenbij de tunnel onder hetPannerdensch Kanaal.ManagementgroepBetuweroute, 1997.10 | Bezwijkmechanisme,liggerwerkingProjectgegevensopdrachtgever:NV Nederlandse Spoorwegen/ gemeente Zwolleontwerp en directievoering:ARCADIS Bouw/Infra, Amersfoortvormgeving:ARCADIS Bouw/Infra, ir. J.A. van Belkumhoofdaannemer:Koninklijke Aannemingsmaatschappij Van Drunen BVonderaannemer duikwerkzaamheden:DCNleverancier staalvezels:N.V. Bekaertaanneemsom:circa 10 miljoen gulden
Reacties