Versterking koker brug bij Heteren. Oplossing gevonden in combinatie externe voorspanning en staalconstructie. thema

Maat: px
Weergave met pagina beginnen:

Download "Versterking koker brug bij Heteren. Oplossing gevonden in combinatie externe voorspanning en staalconstructie. thema"

Transcriptie

1 1 Oplossing gevonden in combinatie externe voorspanning en staalconstructie IABSE-congres 2013 Dit artikel is gebaseerd op de paper Reinforcing concrete box girder bridges with external post-tensioning and steel van het IABSEcongres 2013 dat in mei in Rotterdam plaatsvond. Versterking koker brug bij Heteren De brug over de Nederrijn bij Heteren is een onderdeel van de Rijksweg A50 tussen knooppunt Grijsoord en knooppunt Valburg. Dit deel van de snel weg is verbreed van twee naar drie rijstroken. Door deze verbreding is de verkeersintensiteit en daarmee ook de verkeers belasting op de brug toegenomen. Deze verhoogde belasting resulteerde in dwarskrachtproblemen bij de opleggingen. Om die reden moest de brug worden versterkt. 16

2 ing. Jaap van Lier PMSE Heijmans Integrale Projecten ing. Marco Pronk Heijmans Civiel Span- & Verplaatsingstechnieken ing. Paul van Wijnen Wagemaker 1, 3 Brug over de Nederrijn, A50 foto s: Rijkswaterstaat 2 Principe krachtswerking referentieomtwerp 2 van het tussensteunpunt een verticale kracht in de kokerbrug geïntroduceerd. Deze krachten grijpen aan op een afstand van 5975 mm vanuit het hart van het steunpunt en variëren van 2000 kn tot 7800 kn per steunpunt, zoals bleek uit de vraagspecificatie van Rijkswaterstaat (fig. 2). Deze krachten worden gerealiseerd door toepassing van externe voorspanning. Deze moet onder een hoek van circa 32 de kokerconstructie worden ingeleid. Hoe de verticaal en horizontaal ontbonden krachten worden overgedragen op de constructie is nader uitgewerkt. De brug over de Nederrijn (foto 1 en 3) is een voorgespannen betonnen kokerbrug, gebouwd in de periode van 1968 tot Het zijn twee identieke naast elkaar gelegen bruggen, voor elke rijrichting één. Elk brugdeel bestaat uit een dubbelcellige koker. In totaal heeft de brug vijftien overspanningen, waarbij de hoofdoverspanning 121 m bedraagt. Elf van de vijftien overspanningen betreffen de aanbruggen met overspanningen van 60 m. De hoofdoverspanning is, in tegenstelling tot de aanbruggen, een uitbouwbrug. Bij inspecties die voor de verbreding plaatsvonden, is ter plaatse van de steunpunten van de aanbruggen significante scheurvorming geconstateerd in de rand- en middenwanden van de kokerbrug. Deze scheuren waren met het blote oog goed zichtbaar en liepen over het gehele lijf onder een hoek van 45. De aanwezigheid van de scheuren was te herleiden uit herberekeningen. De dwarskrachttoets van de steunpunten werd ruimschoots overschreden. Rijkswaterstaat heeft aangegeven dat vanwege de dwarskrachtproblematiek de brug moest worden versterkt bij de tussensteunpunten van de aanbruggen. Het project is als een Design&Construct-opdracht uitgeschreven. Principe krachtswerking Gezocht is naar een oplossing om de grote dwarskrachten te compenseren. Hiertoe is onder tegen de brug aan beide zijden Referentieontwerp Rijkswaterstaat Rijkswaterstaat heeft voor de versterkingsmaatregel een referentieontwerp gemaakt. Het principe van dit ontwerp gaat uit van externe voorspankabels die onder aan de brug worden bevestigd en bij het tussensteunpunt door de kokerbrug heen lopen (fig. 4a en b). Aan de onderzijde van de brug bevinden zich betonnen consoles voor de verankering van de voorspanning. Deze zijn constructief verbonden met de ondervloer van de kokerbrug. In de vloer van de brug en in de dwarsdrager worden sparingen gemaakt voor de voorspankabels. Ter plaatse van de dwarsdrager vindt door een (nader uit te werken) deviator geleiding en afbuiging van de voorspankabels plaats. Nadelen en risico s Het doel was een zo effectief mogelijk ontwerp te realiseren. Criteria hierbij waren tijd, kwaliteit en kosten. Het referentieontwerp had een aantal nadelen en risico s. Op de console onder aan de brug zouden grote horizontale krachten worden geïntroduceerd, die moesten worden overgebracht op de brugconstructie. De aansluiting tussen de console en de vloer van de brug moest daardoor goed worden uitgevoerd. Onzekerheid zat voornamelijk in de opname van de schuifkrachten tussen het beton van de console en het beton van de vloer van de betonnen koker. Het produceren van de betonnen consoles (in situ of geprefabriceerd) was bovendien erg complex en arbeidsintensief. Vanwege de beoogde projectplanning en -doelstelling had het referentieontwerp niet de voorkeur. Het contract bood mogelijkheden een alternatief ontwerp te maken. 3 17

3 4a 5a 4b 5b Ontwerp algemeen principe In het nieuwe ontwerp (fig. 5a, b en c) zijn voorspankabels toegepast die onder een gemiddelde hoek van 32,1 in de constructie zijn gebracht. De horizontaal ontbonden kracht wordt opgenomen door een staalconstructie die onder aan de vloer wordt opgehangen (fig. 6). De verticaal ontbonden kracht wordt via de staalconstructie en stalen oplegblokken overgedragen naar de wanden van de dubbelcellige kokerconstructie. Deze oplegblokken zijn gepositioneerd onder de langswanden van de kokerbrug. In de vloer zijn onder een hoek gaten geboord, groot genoeg om de voorspankabels doorheen te voeren. Bij de dwarsdrager zijn de voorspankabels afgebogen door een staalconstructie, de deviator. Deze deviator draagt de reactiekracht direct af naar de bestaande opleggingen van de brugconstructie. Dit heeft als voordeel dat geen ongewenste krachten in de vloer en dwarsdrager van de brug worden geïntroduceerd. Voorspankabels Er is voorspanning zonder aanhechting toegepast met 15-strengs 0,6 inch voorspankabels (oppervlakte = 2775 mm 2 ) met compacte strengen. Elke individuele streng is omhuld met HDPE dat de streng beschermt tegen corrosie. De benodigde voorspankracht per streng tijdens het spannen, is circa 212 kn. De keuze voor deze voorspankabels volgt uit een testopstelling op ware grootte van de versterkingsconstructie (foto 7). Bij de dwarsdrager moeten de voorspankabels afbuigen door een zadel, zonder dat de HDPE-omhulling wordt beschadigd. Voorspankabels zonder aanhechting worden veelvuldig toegepast in de praktijk, echter niet met een dergelijk afbuigpunt. De testopstelling heeft zich vooral gericht op de afronding van het zadel. Gevarieerd is met verschillende stralen van het zadel, typen en dikten van het oplegmateriaal en verschillende typen voorspanstrengen. Vervolgens zijn omhullingsbuizen van de voorspankabels geïnspecteerd en is gezocht naar mogelijke beschadigingen. De conclusie was dat een 5c afbuigstraal van 600 mm van het zadel in combinatie met voorgevormd oplegmateriaal van nylon en compacte strengen, de HDPE-omhullingsbuis niet beschadigt maar slechts toelaatbaar indrukt. Staalconstructie De staalconstructie onder het dek (foto 8) moet de verticaal en de horizontaal ontbonden voorspankracht opnemen. Een stalen balk in dwarsrichting van het brugdek neemt de verticale kracht op en draagt via een rubberen oplegging de kracht af naar de wanden van de koker. Deze stalen HE-balk is een doorgaande ligger die op drie steunpunten is opgelegd. Elk veld heeft een lengte van 5175 mm. De voorspankracht grijpt aan op een afstand van 1350 mm vanuit het hart van de buitenste opleggingen. Zodoende gaat circa 38% van de verticale kracht per veld naar de middenwand van de kokerbrug en 62% naar de zijwanden. De horizontaal ontbonden voorspankracht wordt opgenomen door een stalen frame in langsrichting. De totale lengte van die staalconstructie is mm. Het frame heeft een nettotussenruimte van 2200 mm. De geometrie is dusdanig gekozen, dat er ruimte overblijft om de bestaande opleggingen te vervangen. Twee knikverkorters zijn aangebracht om de kniklengte te verkorten. De staalconstructie is uitgevoerd met stalen buisprofielen. In de staalconstructie treedt een spatkracht op die door middel van een trekstrip wordt opgenomen. De overdracht van 18

4 4 Visualisatie referentieontwerp: (a) in de brug en (b) vanaf de onderzijde van de brug 5 Visualisatie nieuw ontwerp Heijmans: (a) in de brug, (b) vanaf de onderzijde van de brug en (c) de versterkingsconstructie 6 Principe krachtswerking nieuw ontwerp 7 Testopstelling deviator de krachten vanuit de versterkingsconstructie naar de betonconstructie wordt verzorgd door met staalplaat gewapende rubberoplegblokken. Vanwege de hoge duurzaamheidseis (40 jaar onderhoudsvrij) is de constructie gealuminiseerd. Tevens zijn de kokerprofielen luchtdicht afgesloten, waardoor de binnenzijde niet kan corroderen. Deviator De deviator (foto 9) draagt de kracht ten gevolge van de krommingsdruk van de externe voorspanning over naar de opleggingen. De deviatorconstructie bestaat uit twee dubbele schuingeplaatste kokers met afmetingen mm met een zadelconstructie. Alle strengen zijn naast elkaar over een stalen zadelblok met een straal van 600 mm en een booglengte van 380 mm geleid. De breedte van het zadelblok is 400 mm en de dikte 25 mm. De strengen zijn onder een hoek van circa 32 afgebogen. De afbuiging is aan beide uiteinden van het zadel nog eens 3 extra doorgezet. Tussen de strengen en het zadelblok wordt een voorgevormde nylonplaat geplaatst met een dikte van 30 mm. De stalen onderdelen van de deviatorconstructie zijn getoetst op basis van NEN Door de dwarsdrager van de bestaande brug is een stalen strip als een trekstaaf toegepast met een doorsnede van mm 2. Onder de kokers is een voetplaat geplaatst. Tussen de voetplaat en de brugconstructie is de ruimte opgevuld met krimparme stelmortel. Ten aanzien van duurzaamheid is volstaan met het thermisch verzinken van de deviator. Uitvoering De brug over de Nederrijn heeft een langs- en dwarsverkanting en ligt bovendien in een horizontale straal. De versterkingsconstructie moest met een zeer grote nauwkeurigheid worden aangebracht, zodoende was een nauwkeurige maatvoering vereist. Zowel in de vloer als in de dwarsdrager zijn gaten gemaakt om de voorspankabels door de brug te laten lopen. Een aandachtspunt was dat de al aanwezige voorspanning in de 7 brug niet werd beschadigd. De langsvoorspanning van de brug zelf ligt ter plaatse van de tussensteunpunten boven in de wanden van de brug. De gaten in de vloer conflicteren zodoende niet met de langsvoorspanning. In de dwarsdrager is over de volle hoogte wel voorspanning aanwezig. De ruimte om hier gaten te maken, was daarom beperkt. Het lokaliseren van de voorspanning was een vereiste. In de kokerconstructie was het gewenst om met zo licht mogelijk materieel en materiaal te werken, aangezien alles in het inwendige van de koker met handkracht moest worden getransporteerd. Vandaar dat de deviatorconstructie zo licht mogelijk is geconstrueerd. 6 19

5 8 Versterking vanaf onderzijde brug 9 Versterkingsconstructie in de brug met deviator 10 Aanbrengen stalen onderdelen van de versterkingsconstructie De staalconstructie aan de onderzijde van de brug is samengesteld uit zes afzonderlijke onderdelen. In de vloer van de brug zijn gaten gemaakt, waardoor lieren de afzonderlijke stalen onderdelen naar boven konden hijsen (foto 10). De middelste kokerbalken werden rondom de bestaande opleggingen op de tussensteunpunten gemonteerd en bevestigd aan de knikverkorters. Vervolgens zijn de buitenste staalonderdelen bevestigd aan de middelste kokerbalken door een boutverbinding. Al vooraf waren de gewapende rubberopleggingen aan de staalconstructie bevestigd. Een aandachtspunt tijdens uitvoering was dat de brug niet alleen moest worden versterkt, maar dat eveneens de bestaande opleggingen op de tussensteunpunten moesten worden vervangen. De planning liet het niet toe om eerst alle opleggingen te vervangen en vervolgens de versterkingen uit te voeren. De activiteiten moesten daardoor parallel aan elkaar worden uitgevoerd. Daardoor kwam het voor dat opleggingen moesten worden vervangen terwijl de versterkingsconstructie al was aangebracht en andersom. Vanuit de deviator worden lokaal zeer grote krachten geïntroduceerd die in de eindsituatie hun belasting direct afdragen naar de opleggingen. Echter, bij het vervangen van de opleggingen werd de brug tijdelijk opgelegd op vijzels die zich bevonden direct naast de definitieve opleggingen. In deze tijdelijke situatie grepen de krachten vanuit de deviator excentrisch aan. De bestaande brugconstructie moest hierop worden getoetst. Het was noodzakelijk vijzels te positioneren aan beide zijden van de te vervangen opleggingen, dus niet aan alleen aan de binnenzijde tussen de opleggingen in of uitsluitend aan de buitenzijde. Bij het ontwerp van de staalconstructie moest eveneens rekening worden gehouden met voldoende ruimte naast de bestaande opleggingen. Deze ruimte was noodzakelijk om de benodigde vijzels te kunnen plaatsen Conclusie Het versterken van betonnen kokerbruggen die onvoldoende weerstand hebben tegen optredende dwarskrachten is goed mogelijk met externe voorspankabels in combinatie met een staalconstructie. De toegepaste oplossing voor de brug bij Heteren is een innovatief ontwerp, dat op diverse punten voordelen bood ten opzichte van het oorspronkelijke referentieontwerp. 9 Literatuur 1 Lier, J.A.P., van, Pronk, M., Paper IABSE2013: Reinforcing concrete box girder bridges with external post-tensioning and steel. 20