O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWegenbou wcement 2006 678ir. J.M.J.F. Thijs en ir. W.A. de Bruijn, RijkswaterstaatBouwdienstir. W.T. van Bijsterveld en dr.ir. A.H. de Bondt, OomsNederland Holding bvZowel in Nederland als in het buitenland wordt de toe-passing van integraalconstructies voor viaducten enbruggen steeds meer erkend als een effici?nte oplossing,die niet duurder is dan traditionele constructies bij aan-leg en kostenbesparend is gedurende de onderhoudsperi-ode. In het nieuwe weggedeelte van rijksweg A50Eindhoven - Oss, in 2004 gereedgekomen, is een aantalintegraalbruggen gerealiseerd. De inmiddels opgedaneervaring is opmerkelijk positief en heeft de aanvankelijkeaarzeling kunnen wegnemen, zodat niets routinematigetoepassing van integrale constructies in de weg staat.Wanneer ook nog een onderhoudsarme voegloze over-gang van kunstwerk op wegverharding wordt toegepast,kan met recht worden gesproken van een integraal ont-worpen kunstwerk.Op het grensvlak van de vakgebieden bruggenbouwen wegenbouw is de afgelopen jaren in opdracht vanRijkswaterstaat onderzoek verricht naar het ontwerp,de dimensionering en het gedrag van een voeglozeasfaltbetonnen overgangsverharding die qua functio-naliteit en levensduur recht doet aan de kenmerkenvan de integraalconstructie. Een overgangsconstruc-tie, die? de onderliggende betonconstructie vrijwaart vanlekkages en aantasting door chloriden (dooizou-ten);? de verplaatsingen van het dek op een betrouwbarewijze omzet in rek in de asfaltwegverharding;? de functionaliteit van de asfaltdeklaag (met namewaterafvoer en geluidsreductie) niet aantast;? niet gevoelig is voor spoor- en scheurvorming enmechanische beschadigingen door het verkeer;? voldoende rijcomfort biedt (drempelvorming< 5 mm en helling van de stootplaten < 10 mm/m);? gedurende lange tijd (circa 50 jaar) geen onder-houd behoeft (met uitzondering van de deklaag).V o e g l o z e o v e r g a n gDe asfaltbetonnen overgangsverharding bestaat vanonder naar boven uit (fig. 1):? een bitumineuze glijlaag die tevens functioneertals waterdicht membraan op brugdek, stootvloer enwerkvloer van grindasfaltbeton (GAB);? een aantal lagen Thermifalt (een flexibel, extreemtaai polymeer-gemodificeerd asfalt), elk afgewerktmet een glasvezel-wapeningsnet voorzien van eenzelfklevende polymeercoating;? een aantal lagen regulier polymeer-gemodificeerdasfalt (PMA), waarvan de onderste laag of lagenworden afgewerkt met het hiervoor genoemde glas-vezel-wapeningsnet.De bovenste laag polymeer-gemodificeerd asfaltwordt ook over het gehele betonnen dek doorgetrok-ken. Deze vormt met de bitumineuze glijlaag debenodigde waterdichte afwerking van het betonnendek, waardoor het asfalt op het kunstwerk onder dedeklaag dezelfde lange levensduur (50 jaar) krijgt alshet asfalt van de voegloze overgang. Hierop kan dedeklaag van dicht asfaltbeton (DAB) of van enkel- oftweelaags zeer open asfaltbeton (ZOAB) van het aan-sluitende wegdek worden aangebracht.E l k e z o m e r e e n n i e u w b e g i nIn de zomer kan een asfaltbetonnen wegdek doorlangdurige zonbestraling aanzienlijk opwarmen. Hetwarme asfaltbeton is dan relatief flexibel en er treedtrelaxatie op van eerder opgebouwde spanningen in entussen de asfaltlagen. Tijdens het afkoelen in de perio-Voegloze overgangen vanasfaltbeton voor integraalbruggen1 |Principe voegloze over-gang van integraalbrugnaar doorgaande beton-wegintegraal stootvloer be?indiging doorgaandemin. 5m min. 5mmin. 10mwerkvloer: grindasfaltbetongestabiliseerd zandkoppeling dek-stootvloer funderingslaagzandlichaameindbalken 4x h.o.h. 7mbrugdek betonwegovergangsverhardingtussenlagen: PMAonderlagen: Thermifaltmembraan/glijlaagglasvezelwapeningsnettenPMAdeklaag deklaag doortrekkenn3 n2n1O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWegenb ou wcement 2006 6 79de van zomer naar winter wordt het asfaltbeton steedsstijver en is het in staat een relatief hoge trekspanningop te bouwen. Hoe langzamer dit gebeurt, hoe hogerde kritieke rek is waarbij het asfaltbeton scheurt (ziekadertekst Mechanische eigenschappen asfalt).O p g e l e g d e v e r v o r m i n g e nDe vervormingen die de voegloze overgangsverhar-ding moet kunnen volgen zijn:? rotatie van de stootvloer door zettingen van hetgrondlichaam van de weg;? verkorting van het dek ten gevolge van krimp enkruip van het beton;? bewegingen van het dek door de temperatuurvari-aties over de seizoenen.De eerste twee vervormingen worden in de loop vande tijd opgebouwd, doch elke zomer reduceren tengevolge van relaxatie de hierdoor veroorzaakte trek-en schuifspanningen in het asfalt. Voor de voeglozeovergangsverharding zijn daarom voornamelijk dethermische bewegingen van het dek van de integraal-brug van belang.V a n z o m e r n a a r w i n t e rEen betonnen dek van een brug heeft door zijn grotemassa een grote warmtecapaciteit, waardoor het ver-traagd en afgezwakt de uiterste buitentemperaturenin zomer en winter volgt. Het verschil tussen deeffectieve gemiddelde temperaturen van een beton-nen dek in zomer en winter bedraagt:T = 40 ?C (+30 ?C -10 ?C) (zie kadertekst Normversus praktijk).De hierbij optredende verplaatsing per zijde van hetdek met lengte L bedraagt:d(T) = ns? ? T ? ? L waarin: = 12 ? 10-6, de uitzettingsco?ffici?nt van beton;ns= 1,25, een vermenigvuldigingsfactor voor niet-symmetrische bewegingen van de uiteinden van hetkunstwerk (zie Rekenvoorbeeld).G e w a p e n d a s f a l tEen asfaltverharding, zo ook de voegloze overgang,wordt laagsgewijs opgebouwd. Tussen de asfaltlagenwordt in een bitumineuze hechtlaag asfaltwapeningtoegepast om scheurdoorgroei vanuit onderliggendelagen te voorkomen dan wel te vertragen. TevensAsfaltbeton heeft vanwege het visco-elastischekarakter van het bindmiddel bitumen een mecha-nisch gedrag dat afhankelijk is van de tempera-tuur en de belastingsduur. Hierdoor verschillen demateriaaleigenschappen die benodigd zijn voor dedimensionering van een asfaltverharding onderverkeersbelasting, van de eigenschappen die beno-digd zijn in een berekening van thermische bewe-gingen. Bij de weergave van resultaten van labora-toriumproeven op asfalt wordt dan ookgebruikgemaakt van het superpositiebeginsel voortijd en temperatuur. Hierbij worden door middelvan de Arrhenius-vergelijking de belastingstijd(frequentie, reksnelheid enz.) en de temperatuurgecombineerd in een zogenoemde gereduceerdefrequentie, die in een grafiek op ??n as kan wor-den weergegeven. Dit leidt tot weergave van debeproevingsresultaten in een zogenoemde master-curve (fig. 5 en 6) [2]. Hieruit blijkt dat Thermifaltde grootste kritieke rek heeft bij de laagste stijf-heid ten opzichte van conventioneel asfalt en poly-meer-gemodificeerd asfalt.De Arrhenius-vergelijking luidt:fred Tsf eHR1T1T? f= =waarin:f is de frequentie;fredis de gereduceerde frequentie;Tis de verschuivingsfactor;H is de activeringsenergie;R is de universele gasconstante;T is de temperatuur;Tsis de referentietemperatuur.M e c h a n i s c h e e i g e n s c h a p p e n a s f a l t b e t o n1000010001001010,12,52,01,50,50,01,01,0E-041,0E-06 1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+001,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+031,0E+04 1,0E+05conventioneel asfaltresultaten frequency sweepsresultaten directe trekproefpolymeergemodificeerd asfaltresultaten frequency sweepsresultaten directe trekproefthermifaltresultaten frequency sweepsresultaten directe trekproefstijfheidsmodulus(MPa)gereduceerde belastingfrequentie (Hz)kritiekerek(%)gereduceerde reksnelheid (%/s)conventioneel asfaltresultaten directe trekproefpolymeergemodificeerd asfaltresultaten directe trekproefthermifaltresultaten directe trekproefMastercurves kritieke rek van asfaltMastercurves stijfheid van asfaltO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWegenbou wcement 2006 680neemt deze wapening een aanzienlijk deel van dehorizontale trekkrachten op en draagt deze via schuif-krachten in de hechtlaag gelijkmatig over naar deonder- en bovenliggende asfaltlagen. Voor toepassingin de voegloze overgang is het van belang dat hetwapeningsmateriaal een hoge stijfheid en treksterkteheeft onder kruipcondities. Om deze reden wordenwapeningsnetten toegepast bestaande uit glasvezel-strengen, omhuld met een zelfklevende polymeercoa-ting (foto 2).E i n d i g e - e l e m e n t e n a n a l y s e sBij het basisontwerp van de voegloze overgang wareneindige-elementenanalyses essentieel (fig. 3). Er isveel aandacht besteed aan een correcte modelleringvan de complexe geometrie van relatief dunne lagenasfalt in combinatie met wel of niet gewapende mem-branen. Iteratief zijn de randvoorwaarden vastgestelddie in relatie met mogelijke glijvlakken in de wegfun-dering voldoende representatief zijn.In het 3D-model is aan het betonnen dek een reekshorizontale verplaatsingen opgelegd. Als bezwijkcri-terium is gehanteerd dat in de op ??n na onderstelaag de kritieke rek waarbij het asfalt scheurt, net nietwordt bereikt (fig. 4). De horizontale vervormingen inde voegloze overgang concentreren zich in de flexibe-le onderlagen aan de uiteinden van de stootvloer enworden naar de bovengelegen lagen steeds meergespreid. De hierbij horende spanningsverdeling inde bovenlagen wordt steeds gelijkmatiger.Door een parameterstudie op verschillende modellenis inzicht verkregen in de verdeling van de reactie-krachten over de ondergrond en de achterliggendewegverharding. De grootte van de kracht in de trek-koppeling tussen de stootvloer en het betonnen dekis bepaald afhankelijk van het aantal lagen asfalt englasvezelwapening en de stijfheid van de materialen.Als bovengrens voor de trekkracht in de koppelstaafkan 10 kN per m breedte stootvloer per mm vervor-ming d(T) van het halve dek worden aangehouden.In de zomersituatie bedraagt de drukkracht tussen destootvloer en het betonnen dek minder dan 40% vande maximale trekkracht, omdat dan het asfalt warmeris en daardoor minder stijf (zie Rekenvoorbeeld).N o r m v e r s u s p r a k t i j kNEN 6723: Voorschriften Beton Bruggen stelt datmoet worden gerekend met een gemiddelde tem-peratuur over de hoogte van het brugdek van-15 ?C < T < 35 ?C, indien geen nauwkeurigermethode wordt toegepast voor het bepalen van devervormingen door jaarlijkse temperatuurwisselin-gen.In de nieuwe A50 Eindhoven - Oss zijn onlangssuccesvol acht integraalbruggen gerealiseerd. Bijtwee ervan zijn zowel de brugbewegingen als hetgedrag van het asfalt in de voegloze overganggemonitord. Op grond hiervan blijkt het in denorm voorgeschreven temperatuurinterval vooreen massief betonnen brugdek met enige dikteonnodig ongunstig te zijn. Een effectieve gemid-delde dektemperatuur van -10 ?C < T < 30 ?C lijktrealistischer, alhoewel nog niet `officieel' onder-bouwd.Uit de monitoring bleek verder dat ook bij eensymmetrische brug de verplaatsingen bij de land-hoofden niet symmetrisch hoeven te zijn. Voorlo-pig worden deze afwijkingen op maximaal 25%ingeschat, vandaar ns= 1,25.Getalsmatig maakt het niets uit of met een tempe-ratuurinterval T = 50 ?C volgens de norm wordtgerekend of met nsx T = 1,25 x 40 ?C, zolangmen zich ervan bewust blijft dat in de praktijk detotale vervormingen van het dek kleiner zullenzijn dan berekend aan de hand van de norm, maardat de verplaatsing door asymmetrische bewegin-gen per landhoofdzijde groter kan uitvallen.4 |Vervormd 3D-model3 |Fragment 3D-model2 |Gewapend asfaltO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWegenb ou wcement 2006 6 81V e r k e e r s b e l a s t i n gBij het ontwerp van asfaltmengsels dient vaak eencompromis te worden gezocht tussen verschillendeeigenschappen. Zo leidt een verbeterde weerstandtegen scheurvorming meestal tot een grotere gevoe-ligheid voor spoorvorming. De Thermifaltlagen heb-ben een zeer goede weerstand tegen scheurvorming,terwijl door de polymeermodificatie de spoorvor-mingsgevoeligheid op een acceptabel niveau isgebracht. De lagen glasvezelwapening en de hogergelegen lagen regulier gemodificeerd asfalt zorgenervoor dat de verkeerslasten voldoende wordengespreid. Hierdoor is de spoorvorming aan het opper-vlak van de voegloze overgangsverharding op een ver-gelijkbaar niveau als in conventionele verhardingen.S p e c i f i e k e m a t e r i a a l e i g e n s c h a p p e nDankzij de gedetailleerde rekenkundige analyses vande voegloze overgangsconstructie is de rol die elk vande componenten speelt in de afdracht van de thermi-sche en verkeersbelastingen bekend. De hiervoorbenodigde eigenschappen zoals stijfheid en breukrek,trek,- splijt- en hechtsterkte, scheurtaaiheid en ducti-liteit en gevoeligheid voor kruip en veroudering kun-nen volgens gestandaardiseerde laboratoriumproevenworden bepaald. Hierdoor kunnen de bijzondereeigenschappen van de materialen waarmee de voeglo-ze overgangsconstructie wordt opgebouwd, afzonder-lijk worden gespecificeerd. Al met al specialistischwerk voor asfalttechnologen.I n f o r m a t i e o v e r d r a c h tOm de toepassing van de voegloze overgang bij inte-graalbruggen en gewapende betonwegen te stimule-ren, zijn bij Rijkswaterstaat Bouwdienst de volgendedocumenten beschikbaar:? standaarddetailtekening van de voegloze overgangvoor integraalbruggen, inclusief tabel 1;? werkbeschrijvingen en materiaalspecificaties vol-gens de RAW-systematiek;? prestatie-eisen voor de componenten van de voeg-loze overgangsverharding.Het laatste document maakt het de opdrachtgevermogelijk bij ge?ntegreerde contractvormen (E&C enD&C) voldoende vrijheid te laten in de keuze vanmaterialen en handelsproducten. Voorts staan hierinbepalingen voor voorbereiding en uitvoering, diekunnen dienen als basis voor de kwaliteitsborgingdoor de opdrachtnemer. nL i t e r a t u u r1. Thijs, J.M.J.F., Integraalviaducten met voeglozeovergangen in de A73-zuid. Cement 2006, nr. 6.2. Francken, L. en A. Vanelstraete, Complex moduliof bituminous materials: A rational method forthe interpretation of test results. Proceedings ofthe fifth international RILEM symposium, Bal-kema, Rotterdam, 1997.3. De Bondt, A.H., W.T. van Bijsterveld, W.A. deBruijn, Monitoring voegloze overgangen A50gedeelte Eindhoven - Uden. Ooms NederlandHolding bv, 2005.Tabel 1 | Opbouw voegloze overgangsverharding afhankelijk van de verplaatsingen d(T)temperatuurbeweging d(T) extra voor? totaal dikte aantal lagen aantal lagen aantal lagenper zijde tussen zomer en winter zieningen asfaltpakket Thermifalt PMA glasvezel-(incl. deklaag) wapening(mm) (mm) n1n2n3< 5afhankelijk van ver-? ? ?keersbelasting5?7afhankelijk van ver-? ? ?keersbelasting 7?9 ca.200 1 2 1 9?14 ca.250 2 2 2 14?19 ca.300 2 3 3 19?22 ca.350 3 3 4 22?25 ca.350 3 3 5 >25 oplossinginontwikkelingmembraan/glijlaagtrekkoppelingtussenstootvloerendekR e k e n v o o r b e e l dIntegrale constructie met twee gelijke overspan-ningen met totale deklengte L = 60 m.Horizontale beweging tussen zomer en winterper zijde:d(T) = ns? ? T ? ? L= 1,25 x 12 x?10-6x 40 x 0,5 x 60 18 mmKies asfaltdikte 300 mm, inclusief deklaag(tabel 1).Opbouw:membraan/glijlaag, twee lagen Thermifalt, drielagen PMA en drie lagen glasvezelwapening.Hierop deklaag naar keuze aanbrengen.Bovengrenswaarde voor de trekkracht in de koppe-ling tussen stootvloeren en het dek:T = 180 kN/m breedte stootvloer.Bovengrenswaarde voor drukkracht D = - 40% x T.Boven opleggingen stootvloer glasvezelwapeningaanbrengen tussen PMA en deklaag.