4 Spoorbrug herbeoordeeld De ophaalbrug over de Oude Haven in Vlaardingen, onderdeel van de Hoekse Lijn, moest worden herbeoordeeld. Een van de redenen was een geconstateerde verschilverplaatsing in de constructie. Oorzaak en oplossing blijken niet eenduidig. Verschilverplaatsing bij ophaalbrug over de Oude Haven in Vlaardingen Spoorbrug herbeoordeeld 4 2017 5 De NS-spoorlijn van Schiedam naar Hoek van Holland, de zogenoemde Hoekse Lijn, wordt in 2017 ingrijpend verbouwd. Na deze verbouwing wordt de lijn onderdeel van het metro- netwerk van Rotterdam en wordt hij beheerd door de RET. Een beschrijving van de verbouwing van de Hoekse Lijn is eerder verschenen in het artikel 'Standaardstations voor Hoekse lijn' uit Cement 2016/4. In het tracé van de Hoekse Lijn bevinden zich op dit moment twee beweegbare stalen bruggen. Vanwege de overdracht van het beheer en eigendom van de Hoekse Lijn, en vanwege de noodzaak een pantograafgeleidingsconstructie op de bruggen te plaatsen, is inzicht nodig in de staat van deze bruggen. Bij een van de beide bruggen is bovendien een misstand geconsta- teerd in de oplegging van het val, wat duidt op een verschilver - plaatsing van de constructie. Het betreft de ophaalbrug over de Oude Haven in Vlaardingen (foto 1). Bestaande brug De Hoekse Lijn is rond 1890 in gebruik genomen. Uit deze tijd stamt ook de brug over de Oude Haven, die destijds is gebouwd als draaibrug (fig. 2). Fundering De fundering van de oude draaibrug bestaat uit een middenpijler en massieve landhoofden van metselwerk, die alle zijn gefundeerd op houten palen. De funderingen van de beide landhoofden zijn door middel van houten balkroosters verbonden met de fundering van de middenpijler. De fundering van het uiterst westelijke landhoofd is niet op een vergelijkbare manier verbonden; het horizontale evenwicht van dit landhoofd werd waarschijnlijk binnen het constructiedeel zelf verzorgd. Brug uit 1988 In 1987-1988 is de brug vervangen door de huidige dubbel- sporige brug, bestaande uit een beweegbaar stalen deel en betonnen aanbruggen (fig. 3). Deze brug is deels gebouwd op de oude fundamenten van de vroegere draaibrug. Hierbij zijn extra betonnen funderingsbalken gemaakt, gefundeerd op stalen buispalen. De funderingsbalken van de westelijke aanbrug zijn onderling gekoppeld door middel van betonnen vloerstroken. Hetzelfde geldt voor de funderingsbalken van de oostelijke aanbrug, met uitzondering van de funderingsbalk op stramien H, zoals is weergegeven in de schematisering in figuur 3. Ter plaatse van de doorvaart is de vloerstrook van beide aanbruggen verbonden met een kerende damwandcon - structie en met het landhoofd waarop de oplegging van het stalen val rust. De damwandconstructie is gestaffeld aange- bracht (d.w.z. niet alle damwandplanken tot de volledige diepte). Waarschijnlijk met het doel de oorspronkelijke stem- peling op het bodemniveau van de doorvaart in stand te houden. Statisch schema Het dek van de aanbruggen is een statisch onbepaalde constructie over meerdere steunpunten. De westelijke aanbrug bestaat uit twee delen: een viaduct tussen stramien A tot en met D en een kelderconstructie voor de ophaalbrug nabij stramien D. Hoewel de bovenbouw tussen deze twee construc- ties gedilateerd is uitgevoerd (t.p.v. stramien D), rusten de constructies op een niet-gedilateerde fundering. De bovenbouw tussen stramien A en D is via rubberoplegblok- ken opgelegd op de onderbouw. Op elk stramien wordt door middel van twee betonnen nokken de horizontale verplaatsing loodrecht op het spoor tegengehouden. In de richting van het spoor gebeurt dit door middel van twee doken op stramien D. De bovenbouw van de kelderconstructie is met doken en rvs- platen scharnierend aan de onderbouw gekoppeld. ing. Bas Govindasamy, ing. Hendrik Jan de Waard Gemeente Rotterdam 1 Ophaalbrug over de Oude Haven in Vlaardingen 1 Spoorbrug herbeoordeeld 4 2017 6 westzijdestalen aanbrug landhoofd landhoofddoorvaart stalen draaibrug houten balkroosters landhoofd midden pijler oostzijde A H schematisering fundering westzijde aanbrug ophaalbrug midden pijler aanbrug oostzijde landhoofd landhoofd extra funderingsbalken betonnen vloerstroken landhoofddamwanddoorvaart schematisering dek A B C D E F G H 2 Langsdoorsnede oorspronkelijke draaibrug 3 Langsdoorsnede ophaalbrug 1988 en schematisering 4 Spoorsysteem met compensatielas 5 Misstand in de oplegging van het val misstand van circa 45 mm (foto 5). Hoewel er nog enige ruimte is voor verdere aanpassingen aan het dek, nadert het moment dat er een structurele oplossing voor dit verschijnsel moet worden gevonden. Statische toets Naar aanleiding van de overdracht van de brug, de plaatsing van een pantograafgeleidingsconstructie en de geconstateerde verplaatsingen is een statische toets uitgevoerd van de funde- ring. Hierbij is gekeken naar de gesloten en de open toestand van de brug. Er is een belastingsvergelijking gedaan tussen enerzijds het ontwerp en het huidige gebruik en anderzijds het toekomstige gebruik. Uitgangspunten De aanpassing van de oorspronkelijke brug is ontworpen en berekend in 1987. Hoewel in verschillende archiefdocumen- ten de globale uitgangspunten zijn opgenomen, zijn niet alle berekeningen beschikbaar. Uitgangspunt is dat de berekening is uitgevoerd met onder andere de VOSB 1963 en VOBB 1982. De oostelijke aanbrug (stramien E tot en met H) bestaat uit een viaduct van vier velden, dat op dezelfde wijze is opgelegd als de westelijke aanbrug. De doken die verplaatsing verhinderen in de richting van het spoor bevinden zich op stramien E. Spoorsysteem Het spoor is op de aanbruggen bevestigd met stalen onderleg- platen en klemveren op betonnen opstorten (foto 4). Het spoorsysteem is hierbij door middel van compensatielassen los gehouden van het aansluitende spoor in het ballastbed. Door de aanwezigheid van deze compensatielassen worden geen spoorkrachten vanuit het ballastbed doorgegeven aan de aanbruggen. Geconstateerde verplaatsing Sinds de ingebruikname van de ophaalbrug in 1988 is gecon- stateerd dat de ruimte tussen de landhoofden kleiner wordt en dat dus één of beide landhoofden bewegen. Dit verschijnsel heeft ertoe geleid dat het val van de brug in het verleden met een aantal centimeters moest worden ingekort, om vastlopen te voorkomen. De oplegging van het val toont op dit moment een 2 3 Spoorbrug herbeoordeeld 4 2017 7 Resultaten gesloten stand ? horizontale belastingen Uit de toets met de gesloten stand van de brug blijkt dat de waarden van de representatieve horizontale reactiekrachten op de fundering van de aanbruggen in het ontwerp uit 1987 lager zijn dan die voor het toekomstige gebruik. Hoewel de belas- tingsfactoren vanuit de NEN 8700-serie lager zijn dan de oude veiligheidsfactoren, zijn de uiteindelijke rekenwaarden hoger. Hier voldoet de brug dus niet aan de eisen voor het toekom- stige gebruik (zie kader 'Berekening horizontale belasting'). Resultaten open stand Eenzelfde vergelijking voor verticale en horizontale belastingen is uitgevoerd voor de geopende stand van de brug. Hierbij is geconcludeerd dat de rekenwaarden van zowel de verticale als de horizontale reactiekrachten in de toekomstige situatie lager liggen dan waar in het ontwerp mee is gerekend. In de geopende toestand voldoet de brug dus aan de vigerende normen. Conclusie toets Uit de toets van de horizontale krachten op de brug in gesloten toestand blijkt dat de fundering van de brug zwaarder wordt belast dan waarmee in het oorspronkelijke ontwerp rekening is gehouden. De oorzaak van deze toename is de technische ontwik- keling van het rem- en optrekmechanisme van het verkeer (bijv. betere remmen en daardoor een korte remweg). Dat heeft inmiddels ook geleid tot het in de Eurocode opwaarderen van de rem- en aanzetkrachten voor alle verkeer. De toename van de horizontale krachten zou een mogelijke oorzaak kunnen zijn van de geconstateerde horizontale verplaatsingen van de onderbouw. Voor de huidige toets is uitgegaan van de NEN 8700-serie. De brug is geplaatst in gevolgklasse 2. Bestaande objecten in de Hoekse Lijn worden indien mogelijk in stand gehouden tot 2070. Daarmee wordt voor de beoogde restlevensduur van de brug circa 55 jaar aangehouden. Er is in de analyse aangehouden dat goederenvervoer mogelijk moet blijven op dit deel van het tracé. In de toetsing is boven- dien rekening gehouden met de extra belastingen die ontstaan door het toevoegen van de pantograafgeleidingsconstructie. Resultaten gesloten stand ? verticale belastingen Uit de toets met de gesloten stand van de brug blijkt dat de waarden van de representatieve verticale reactiekrachten in het ontwerp van 1987 hoger zijn dan die voor het toekomstige gebruik. Omdat de belastingsfactoren vanuit de NEN 8700- serie lager zijn dan de oude veiligheidsfactoren, inclusief de stootfactor, zijn ook de rekenwaarden van de reactiekrachten lager. Hier voldoet de brug dus aan de eisen voor het toekom- stige gebruik. 4 5 8 compensatielas oostzijdewestzijde Hoek van Holland Rotterdam A D E H vaste been CL 1A BO 1ABO 2A CL 2A CL 1C BO 1CBO 2C CL 2C CL 1B BO 1BBO 2B CL 2B CL 1D BO 1DBO 2D CL 2D vaste beenvaste been vaste been vaste beenvaste been vaste been vaste been spoor 402 60000 24600107005950 20220 60000+/-46000 voegenspoor spoor 401 vaste been vaste been vaste beenvaste been vaste been vaste been compensatielas westzijde Hoek van Holland Rotterdam A D E H 60000 24600107005950 20220 60000+/-46000 voegenspoor CL 1A BO 1ABO 2A CL 2A CL 1C BO 1CBO 2C CL 2C CL 1B BO 1BBO 2B CL 2B CL 1D BO 1DBO 2D CL 2D spoor 402 spoor 401 Vervolgonderzoek In februari 2016 is gestart met een vervolgonderzoek waarbij het bestaande spoorsysteem is geïnspecteerd. Het doel van deze inspectie was om vast te stellen of het bestaande spoorsysteem conform de aangenomen lay-out aanwezig was. De aangenomen lay-out is weergegeven in figuur 6. Hierbij zijn compensatielassen aanwezig ter plaatse van stramien A en H. Zoals eerder gemeld zijn deze compensatielassen bedoeld om het spoor op het viaduct los te houden van het aansluitende deel in het ballastbed, waarbij uitzetten en krimpen van de spoorsta- ven niet wordt verhinderd. Uiteraard zijn de sporen tevens onderbroken bij de aansluiting op de ophaalbrug. Uit de inspectie blijkt dat het spoorsysteem van het zuide- lijke spoor is aangepast bij het vernieuwen van dit spoor, waarschijnlijk in 2012-2013. De compensatielassen ter plaatse van stramien A en H zijn komen te vervallen. Deze spoorstaven zijn hierdoor voegloos uitgevoerd tot aan de ophaalbrug (fig. 7). Berekening horizontale belasting Uitgangspunt voor de toets van de constructieve veiligheid is het oorspronkelijke spoorsysteem en de archiefberekening van de beweegbare brug uit 1987. Het beweegbare deel heeft een lengte van 10 m, dit deel draagt horizontale krachten af naar de westelijke aanbrug. Volgens de archiefberekening is op het beweegbare deel een rembelasting van 150 kN in rekening gebracht, in combinatie met een aanzetbelasting van 30 kN (0,2 ? rembe - lasting), beide conform de VOSB. Deze belasting wordt afgedragen naar de westelijke aanbrug. De westelijke aanbrug heeft een lengte van 5,95 m + 20,22 m = 26,17 m. Op deze brug zelf is de volgende horizontale belasting in rekening gebracht conform de VOSB: rembelasting = 6 tonf + 0,9 tonf/m ? 26,17 m = 29,6 tonf = 296 kN, gecombineerd met een aanzetbelasting = 0,2 ? 296 kN = 59 kN. Op het westelijke deel van de brug is dus in totaal een horizontale belasting van 150 kN + 30 kN + 296 kN + 59 kN = 535 kN vanuit spoorverkeer in rekening gebracht. De rekenwaarde van deze belasting bedraagt 1,48 ? 535 kN = 792 kN. De veiligheidsfactor van 1,48 wordt hierbij bepaald door de overallveiligheidsfactor van betonconstructies (1,7) volgens de VB 74/84 te delen door de materiaalfactor van wapeningsstaal (1,15). Voor het toekomstige gebruik wordt de maatgevende belasting gevonden bij de combinatie van aanzetbelasting door een goederentrein en rembelasting door een metrovoertuig. De representatieve waarde voor deze horizontale belasting op de westelijke aanbrug met het beweegbare deel bedraagt H rep,EC = 1082 kN. Volgens de NEN 8700-serie bedraagt de rekenwaarde van deze belasting op verbouwniveau: H d,verbouw = 1,2 ? 1082 kN = 1298 kN. Voor de oostelijke aanbrug, met een lengte van 24,6 m is een vergelijkbare berekening gemaakt, waarbij H rep,VOSB = 336 kN met H d,VOSB = 497 kN en H rep,EC = 931 kN en H d,verbouw = 1117 kN. 6 7 Spoorbrug herbeoordeeld 4 2017 9 spoor in ballast op baan spoor met ingegoten spoortstaven spoor met regelbare spoorstaaf-bevestiging spoorstaaf overwegplaten betonnen aanbrug H E 6 Bestaande spoorsysteem volgens tekening 7 Feitelijk aanwezige spoorsysteem 8 Berekeningsmodel voor het zuidelijke spoor In het eerste scenario ontstaat horizontale verplaatsing doordat de constructie zwaarder wordt belast door rem- en aanzet- krachten dan waarmee in het oorspronkelijke ontwerp van de ophaalbrug in 1987 rekening is gehouden. Een tweede scenario is dat horizontale verplaatsing optreedt ten gevolge van het vernieuwen/veranderen van het zuidelijke spoor - systeem. Door het gewijzigde spoorsysteem kan overdracht plaatsvinden van significante horizontale krachten vanuit het aangrenzende voegloze spoor in het ballastbed. Hiernaast ontstaat door de aanwezige nokconstructie bij extreme tempera- turen mogelijk nog een extra horizontale kracht die uit dit spoor aan de fundering kan worden doorgegeven. Een derde scenario is een fundering die onvoldoende stijf is in horizontale richting of die verborgen gebreken heeft, waardoor optredende horizontale krachten niet kunnen worden opgeno - men zonder plastische vervorming. In de eerste twee scenario's worden de verplaatsingen veroor - zaakt door externe horizontale krachten die op de fundering aangrijpen en die groter zijn dan waarop in het ontwerp is gerekend. Dit kan worden opgelost door het spoorstaafsysteem en de bevestigingen ter hoogte van de brug dusdanig te 'regelen' dat de extra krachten op de aanbrug naar de aangrenzende aardebaan kunnen worden overgedragen. Met extra krachten wordt in dit verband bedoeld: de toename van de horizontale krachten ten opzichte van het oorspronkelijke ontwerp. In het derde scenario wordt de verplaatsing veroorzaakt door onvoldoende stijfheid of door verborgen gebreken in de funde - ring. Dit zou kunnen optreden doordat de damwandfunderin- gen aan weerszijden van de ophaalbrug niet voldoende stijf zijn, of doordat er onvolkomenheden zijn ontstaan in de stempelfunctie van de vloer tussen deze damwanden. Een andere mogelijke oorzaak is dat de stabiliteit van de fundering van de draaibrug van 1896 is verstoord tijdens het verbouwen in 1987 of een combinatie van voornoemde punten. Advies Aangezien het tweede en derde scenario op dit moment niet definitief kunnen worden uitgesloten en het eerste scenario Doordat het zuidelijke spoor voegloos is uitgevoerd, kunnen voegloosspoorkrachten vanuit het aangrenzende spoor in het ballastbed worden doorgegeven aan de brug en diens fundering. In de problematiek van de horizontale verplaatsingen van de aanbruggen moet deze kracht worden meegenomen. Analyse Met behulp van een aantal berekeningsmodellen is geanalyseerd welke krachten er aan de constructie kunnen worden doorgegeven bij de spoorsystemen volgens figuur 6 en 7. Een van de berekeningsmodellen is geschematiseerd in figuur 8. Uit de analyse blijkt dat het noordelijke, gevoegde spoor circa 66 kN aan het vasthoudpunt van de aanbrug overdraagt, volgend uit de excentrische modellering. Bij het zuidelijke, voegloze spoor bedraagt deze kracht circa 1800 kN, overgedra- gen vanuit het aangrenzende spoor in het ballastbed. Het is mogelijk dat er in het oorspronkelijk ontwerp met een voegloosspoorkracht ter grootte van 132 kN (= 2 sporen à 66 kN) rekening is gehouden, maar zeker niet met een voeg- loosspoorkracht ter grootte van 1800 kN per spoor. Nokconstructies Op beide sporen zijn in de huidige situatie stalen nokcon- structies aanwezig, die in het oorspronkelijke railontwerp het kruipen van de gevoegde railstaaf moesten beperken. Wanneer het uitzetten of krimpen van de spoorstaaf bij voeg- loos spoor wordt tegengehouden door deze nokconstructie, worden extra horizontale krachten uit het spoor naar de fundering overgedragen. In de huidige situatie is niet bekend bij welke grootte van het doorschuiven van de railstaaf de nokconstructie horizontale krachten gaat opbouwen en overdragen. Drie mogelijke oorzaken Met de op dit moment bekende gegevens kunnen de volgende drie scenario's voor de horizontale verplaatsing worden gegeven. 8 Spoorbrug herbeoordeeld 4 2017 10 kracht die vanuit de spoorstaven kan worden doorgegeven aan de aanbruggen wordt beperkt tot een voor de constructie aanvaardbaar niveau. Doel van beide maatregelen is de asymmetrie uit de constructie te halen en ervoor te zorgen dat de horizontale belastingen worden afgedragen in de aardebanen en niet naar het kunstwerk. Eerder (zie kader 'Berekening horizontale belasting' en kopje 'Analyse') is al beredeneerd dat dit aanvaardbare niveau voor de westelijke aanbrug niet hoger mag zijn dan een representa- tieve waarde van de horizontale belasting van 667 kN (opge- bouwd uit 535 kN + 2 ? 66 kN). Voor de oostelijke aanbrug geldt een vergelijkbare waarde. Dit moet worden bereikt door de spoorstaafbevestigingen op de beide aanbruggen van beide sporen dusdanig slap te maken, dat maximaal de genoemde toelaatbare horizontale belasting aan de fundering van de aanbrug kan worden overgedragen. Voor de westelijke aanbrug betekent dit per spoor maximaal 334 kN, ofwel 167 kN per spoorstaaf. De maximaal toelaatbare horizontale krachtsoverdracht van een spoorstaaf op de aanbrug bedraagt dan 6,4 kN/m (lengte = 26,17 m). Dit kan door regelbare spoorstaafbevestiging op de fundering worden overgebracht. sowieso moet worden verholpen, is het advies tweeledig: de sporen moeten worden aangepast en de deformatie van de aanbruggen moet worden gemonitord. Aanpassing sporen Het spoorstaafsysteem en de bevestigingen van het spoor op de brug moeten dusdanig worden aangepast, dat de toename van de horizontale kracht ? ten opzichte van het oorspronke- lijke ontwerp van de ophaalbrug ? van de aanbruggen naar de aangrenzende aardebaan kan worden overgedragen. Om dit te bereiken, worden twee maatregelen voorgesteld: namelijk het laten vervallen van de nog aanwezige compensatielassen bij stramien A en H en daarnaast het slapper maken van de spoorstaafbevestiging. Met de eerste aanpassing wordt bereikt dat de spoorstaven die op de aanbruggen aanwezig zijn voegloos zijn verbonden met het aangrenzende spoor in het ballastbed dat aan weerszijden aansluit op de brug. Krachten die op de spoorstaven werken ter plaatse van de brug kunnen hierdoor worden doorgegeven aan dit aansluitende gebied. Met de tweede maatregel, het slapper maken van de spoor - staafbevestiging, moet worden bereikt dat de horizontale 9 Spoorbrug herbeoordeeld 4 2017 11 9 De ophaalbrug na aanbrengen van het grootste deel van de pantograafgeleidingsconstructie 10 Nokconstructie Monitoren deformatie Onderdeel van de maatregelen is het monitoren van de aanbruggen voor de komende tien jaar. In het monitoringsplan is een frequentie opgenomen waarbij elk jaar een keer in de zomer en een keer in de winter wordt gemeten. Hierbij moeten de meetpunten dusdanig worden gekozen dat zowel de aanbruggen als de landhoofden worden gemonitord. Na elke meting zullen de meetresultaten worden geanalyseerd. Als uit de metingen zou blijken dat de verplaatsingen van de aanbrug- gen doorzetten, moet de horizontale draagkracht van de funde- ring worden vergroot. Aanvullende maatregelen? Vanuit de huidige regelgeving op het gebied van constructieve veiligheid is het voor het in gebruik houden van de brug over de Oude Haven in Vlaardingen noodzakelijk om de afdracht van de horizontale belastingen aan te passen. Door het aanpassen van het spoorsysteem en de spoorstaafbevestiging wordt de horizontale belasting op de onderbouw gereduceerd tot een voor de constructie aanvaardbaar niveau. Met het instellen van een monitoringsplan kan worden nagegaan of deze maatregel afdoende is om geconstateerde verplaatsingen tot stilstand te brengen of dat er in de toekomst toch nog aanvullende maat- regelen nodig zijn. ? Bij belast spoor is de representatieve waarde voor de door - schuifkracht van het spoor 50 kN/m (dus per twee spoorsta- ven), terwijl deze bij onbelast spoor 30 kN/m bedraagt. Bij belast spoor is hierdoor slechts 26% van de aanwezige spoorstaafbevestigingen nodig om de horizontale kracht over te dragen op de onderbouw en bij onbelast spoor circa 43%. Gekozen wordt om het gemiddelde van deze percentages aan spoorstaafbevestigingen voor de krachtsoverdracht te benutten. Om dit te bereiken, moet circa 67% van de rail- bevestigingen los worden gemaakt. Dit wordt gedaan in een patroon van 'één bevestiging vast' dan 'twee bevestigingen los'. Aandachtspunt is de eerdergenoemde nokconstructie in de spoorstaven van beide sporen. Deze constructie was bij de oorspronkelijke opbouw van het spoor bedoeld om het 'kruipen' van de spoorstaven tegen te gaan. Door het voegloos maken van het spoor zouden deze nokken als een vast punt kunnen gaan werken waarmee het slap maken van de spoor - constructie teniet wordt gedaan. In overleg met de RET is daarom besloten de nokconstructie in zijn geheel te verwijde- ren, in combinatie met het voegloos maken van het spoor en slapper maken van de spoorbevestiging. ? PROJECTGEGEVENS project Ombouw Hoekse Lijn, instandhouding bestaande ophaalbrug te Vlaardingen opdrachtgever Gemeente Rotterdam subsidieverstrekker Metropoolregio Rotterdam - Den Haag ontwerp en engineering Ingenieursbureau gemeente Rotterdam en Ingenieursbureau RET 10