Constructieve uitwerking ondersteuningsconstructie Verlengde Waalbrug

Transcriptie

1 1 Constructieve uitwerking ondersteuningsconstructie Verlengde Waalbrug Een knap staaltje engineering (2) Vanwege een nieuwe nevengeul in de Waal bij Nijmegen, wordt hier de bijna tachtig jaar oude Waalbrug met 280 m verlengd. Voor de ruimtelijk gekromde schaalconstructie van deze Verlengde Waalbrug was een complexe ondersteuningsconstructie nodig. Het samenspel tussen de tijdelijke ondersteuning en de definitieve betonconstructie vroeg om de nodige inventiviteit bij de engineering. 20

2 ir. Gertjan Coenen, ir. Bart Slenders Dura Vermeer Beton- en Waterbouw BV 1 Verlengde Waalbrug in aanbouw 2 Dwarsdoorsnede ter plaatse van ondersteuning Meer lezen Het eerste deel van dit artikel over de Verlengde Waalbrug, Een knap staaltje engineering (1), verscheen in Cement 2015/5. Hierin werd het constructief ontwerp van de brug zelf beschreven. Over de houten mallen verscheen het artikel m 2 dubbelgekromde bekisting in Betoniek Standaard 2014/3. Zowel in Cement als Betoniek zijn diverse andere artikelen verschenen over bruggen over de Waal bij Nijmegen, zoals de Promenadebrug, de spoorbrug en de stadsbrug De Oversteek. Deze artikelen zijn beschikbaar op en +22,774 Ø315 HWA brugdek extra langswandjes inspectiedoorgang 1100 x 700 in langswand hamerstuk +14, oplegblokken 7065 MHW / LHW +3,50 oplegging ,000 pijler ,000 De Verlengde Waalbrug is een in het werk gestorte, nagespannen betonnen brug met een totale lengte van circa 280 m en een breedte van circa 34 m. De brug wordt ondersteund door twee landhoofden en drie tussensteunpunten. De massieve pijlers en hamerstukken gaan over in een hol brugdek met in langsrichting vijf tussenliggers en twee randliggers (foto 1 en fig. 2). De brug is in langs- en dwarsrichting voorgespannen. Vanwege de veelvuldig gekromde vormen is ervoor gekozen de brug ter plaatse te storten. Hiertoe is een bekisting met een complexe vorm gerealiseerd uitvullaag onderwaterbeton grind d = x 10 vibrocombipaal Ø610/700, vk380, p.p.n. NAP -17,800-0,750 Tijdelijke ondersteuningsconstructie De diverse onderdelen van de Verlengde Waalbrug hebben ieder een verschillende tijdelijke ondersteuning. De pijlers en hamerstukken zijn in één keer gestort in houten bekistingen. De pijlerbekisting is eenmalig uitgevoerd en voor elke pijler opnieuw gebruikt (foto 3). Voor de drie hamerstukken zijn afzonderlijke bekistingen gerealiseerd vanwege de unieke vorm. Ook de onderschil van het brugdek is ondersteund door een houten bekisting, waarin de dubbel gekromde vorm van het brugdek is verwerkt. De bekisting is opgebouwd uit houten jukken (h.o.h. 500 mm), een houten balkendek en een triplex bekistingshuid. De opbouw van deze bekisting is eerder uitvoerig beschreven in Betoniek Standaard (zie [1] en kader Meer lezen ). De houten bekisting rust via aluminium onderslagen op een stalen ondersteuningsconstructie. Deze constructie draagt de belasting op haar beurt af aan de ondergrond (fig. 4 en foto 5). Uitgangspunten Het ontwerp van de tijdelijke ondersteuning van het dek kende een aantal randvoorwaarden. Zo is in een vroeg stadium de principe-indeling van de stalen ondersteuningspoten vastgesteld, zowel in langs- als dwarsrichting. Deze indeling is afgestemd met de leverancier van de ondersteuning op basis van beschikbaarheid van het materieel. Ook de maximale gebruiksbelasting van 75 kn per verticale staander is meegenomen als randvoorwaarde. De principe-indeling van deze staanders in dwarsrichting van de brug is het vertrekpunt geweest voor het ontwerp van de 21

3 3 Bekisting van de pijler, welke bij elk steunpunt is hergebruikt 4 Opbouw ondersteuningsconstructie 5 Complexe ondersteuningsconstructie 6 De hoogte van de langswanden en kromming varieert over de lengte van de brug 3 onderschil brugdek houten bekisting. Deze had invloed op de verticale krachtsafdracht van de houten bekisting. Aan het eind van de voorontwerpfase, toen de vorm van de brug definitief was vastgelegd, is gestart met de engineering van de houten bekisting. jukken h.o.h. 500 mm onderslag ondersteuning ondergrond + betonplaat Bekisting dek Om met de definitieve vorm van de brug de krachtswerking te bepalen in de houten bekisting, is deze gedetailleerd gemodelleerd in het pakket Scia Engineer. De gehele opbouw van de ondersteuningsconstructie is meegenomen: de bekistingshuid, de onderslagen, de stalen ondersteuning en de onderliggende grond. Ook de bouwfasering is in de modellering meegenomen. Eerst is de onderschil gestort, daarna de langs- en dwarswanden en afsluitend het dek. Om betrouwbare uitkomsten te genereren, zijn materiaal- en grondstijfheden gevarieerd. Deze modellering is uitgevoerd voor een deel van de brug. Bij de overspanning met de hoogste langswanden was de verwachting dat de meeste belasting op de ondersteuningsconstructie werd gegenereerd (fig. 6). Van deze overspanning is de helft in langsrichting en de helft in dwarsrichting gemodelleerd (fig. 7 en 8). 4 In de vorm van de Verlengde Waalbrug schuilt een verborgen kracht, die de nodige invloed heeft op de ondersteuningsconstructie. Door de stijve onderschil wordt de bijkomende belasting 22

4 5 uit de betonstorten niet alleen in dwarsrichting verdeeld over de ondersteuning. Doordat de onderschil zich door de gekromde vorm als een relatief stijve ligger gedraagt, wordt de bijkomende belasting ook in langsrichting afgedragen aan de reeds verharde betonconstructie van het hamerstuk. De onderschil vormt na het storten en verharden immers een constructieve verbinding met dat hamerstuk. Hoe dichter bij het steunpunt, hoe meer bijkomende belasting direct wordt afgedragen naar de hamerstukken (fig. 9). Deze bijkomende belasting is meegenomen in de engineering van de definitieve constructie (deel 1 van dit artikel [3]). Op basis van de diverse modellen, vanaf het storten van de onderschil tot en met het storten van het dek, is op basis van de hieruit volgende resultaten de houten bekisting voor het volledige brugdek berekend en de productie gestart. Stalen ondersteuning Vervolgens is de aandacht gericht op het bepalen van de kracht in de stalen ondersteuning. Hiertoe is het volledige brugdek gemodelleerd, van landhoofd tot landhoofd (fig. 10 en 11). Vanwege de uitstekende koppeling met Excel en de eerder 6 h = 4 m h = 6 m h = 7 m h = 8 m h = 2 m kromming laag, wand laag kromming hoog, wand hoog 23

5 7 Modellering bekisting en ondersteuning 8 Bovenaanzicht brug met geel gearceerd het deel dat is gemodelleerd in Scia Engineer 9 Verdeling van belastingafdracht naar de ondersteuning en het hamerstuk als functie van de afstand ten opzichte van het hamerstuk opgedane goede ervaringen met dit pakket, is hier gebruikgemaakt van AxisVM. De verende werking van de houten bekisting, de stalen ondersteuning en onderliggende grond zijn in Excel omgerekend naar één verticale veer ter plaatse van iedere stalen ondersteuningspoot (fig. 12). Dit waren zo n 4500 stuks in totaal. Voor iedere poot gold een verschillende stijfheid. Zonder het hele model te beschrijven, is gebruikgemaakt van driehoekige 2D-schaalelementen om de kromming van het model juist te beschrijven. veld 1-2 veld 2-3 veld 3-4 veld De productietijd van deze bijzondere brug bestrijkt alle seizoenen (zomer 2014 t.m. lente 2015). Onder andere door de temperatuursinvloeden en de lengte van de brug, zijn grote verplaatsingen in langsrichting van de brug te verwachten. Deze moeten worden gevolgd door ondersteuningsconstructie. Door de gekromde vorm van de brug wordt bij een opgelegde verkorting de tijdelijke ondersteuningsconstructie nog extra belast wanneer deze uit één stuk zou worden gemaakt. Doordat het middelste steunpunt een vast steunpunt is, ontstaan bij de uiteinden van de brug grote verplaatsingen (fig. 13). Het toepassen van vier stortstroken die in het laatste stadium worden aangestort, voorkomt deze extra belasting en beperkt de vervorming die door de ondersteuningsconstructie moet worden gevolgd (fig. 14). Hiervoor is het volledige AxisVMmodel in vijf stukken opgedeeld De vijf separate modellen zijn vervolgens uitgebreid met de per gedeelte verschillende stortvolgorden. Deze zijn gedetailleerder uitgevoerd dan bij de modellering van de houten bekisting. Een stapsgewijze opbouw in 24 separate modellen was hierin geen uitzondering. In deze opbouw zijn ook de temperatuursverandering en de stijfheid van het afkoelende jonge beton meegenomen om de gevolgen voor de belasting op de ondersteuning te bepalen. Ook zijn deze modellen gebruikt om het effect van een variatie van de stortvolgorde op de belasting op de ondersteuning inzichtelijk te krijgen. 5 m 20 m 35 m afdracht last beton/ondersteuning doorsnede % / % De uit de modellen volgende belastingen op de stalen ondersteuning overschreden lokaal de maximale gebruikswaarde van 75 kn. Op de betreffende plaatsen is de ondersteuning aangepast door het toepassen van meer verticale staanders. Doordat er staanders zijn toegevoegd, werd voldaan aan de maximaal toelaatbare verticale belasting. De stijfheid nam lokaal toe, maar de uiteindelijke toename door de extra staanders was minimaal ten opzichte van de originele situatie met slechts één staander. Verder is de houten bekisting ter plaatse specifiek gecontroleerd op deze hogere last. Aanpassingen van de houten bekisting bleken niet noodzakelijk. Zoals eerder aangegeven, was de verwachting dat bij de hoge wanden de belasting op de ondersteuning het hoogst zou zijn. Echter doordat in de velden met lage wanden de kromming 24

6 10 Modellering brugdek ten behoeve van stalen ondersteuning 11 Bovenaanzicht brug met geel gearceerd het deel dat is gemodelleerd in AxisVM 12 De verende werking van de houten bekisting, de stalen ondersteuning en onderliggende grond zijn als één verticale veer gemodelleerd 13 Vergelijking invloed temperatuurbelasting tussen brug met (a) horizontale vorm, (b) boogvorm en (c) boogvorm met stortstroken 14 Positie stortstroken 1 / K bekisting + 1 / K ondersteuning 10 + veld 1-2 veld 2-3 veld 3-4 veld / K grond 1 / K totaal van de onderschil lager was (fig. 6), was hier de afdracht naar het steunpunt ook lager en was dus de belasting op de ondersteuning hoger. 13a Ontwerp stalen ondersteuning Op basis van de uit de modelleringen volgende belastingen, is vervolgens de stalen ondersteuningsconstructie uitgedetailleerd. Hierbij zat de uitdaging niet zozeer in het afdragen van de optredende kracht, maar meer in het verkrijgen van voldoende stabiliteit. De opgelegde vervormingen uit temperatuur in zowel langs- als dwarsrichting zouden bij een traditionele opbouw van de ondersteuning, met toepassen van schoorvakken, zorgen voor te grote krachten in de ondersteuning. Gezocht is naar een oplossing waarbij deze vervormingen niet leiden tot grote krachten en er toch voldoende horizontale stabiliteit bestaat. Dit resulteerde in het toepassen van een rollende oplegging in de langsrichting van de onderslagen, in de gaffels van de stalen ondersteuning (fig. 15a). Deze laten vervorming van de bovenliggende betonnen constructie toe zonder dat grote krachten in de ondersteuning ontstaan. 13b 13c veld 1-2 veld 2-3 veld 3-4 veld Bij een traditioneel ontwerp zou ook in dwarsrichting de opgelegde vervorming worden verhinderd. Hier is de oplossing gevonden in het geconcentreerd toepassen van een horizontale vasthoudconstructie. Hiertoe zijn in het hart van het brugdek voor iedere rij ondersteuningspoten stalen jukken toegepast (fig. 15c)

7 15 Detailleringen ten behoeve van stabiliteit en vrije vervorming ondersteuningsconstructie 15a rolletjes toegevoegd tussen onderslag en gaffel 15b ongesteunde lengte gaffel vergroot 15c Om de rest van de stalen ondersteuning in dwarsrichting voldoende slap te laten reageren op de opgelegde vervormingen, is de ongesteunde lengte van de gaffel met 0,5 m vergroot ten opzichte van de traditionele opbouw (fig. 15b). bijgedragen aan een efficiënt en veilig ontwerp voor zowel de brug als de ondersteuningsconstructie. Mede daardoor rijden er sinds 22 juni 2015 auto s over de nieuwe brug en is de regio een ijkpunt rijker als het gaat om oeververbindingen. Ervaringen bij de uitvoering Tijdens de uitvoering zijn de vervormingen van de betonconstructie op diverse locaties gemeten. Deze kwamen goed overeen met de vooraf voorspelde waarden. Ook bleek de stalen ondersteuningsconstructie op de gewenste plaatsen voldoende slap om de vervormingen te kunnen volgen zonder grote krachtsontwikkeling. De bijzondere vorm van de brug heeft in de uitvoering niet alleen voor uitdagingen gezorgd in de tijdelijke ondersteuningsconstructie. Ook het storten van het beton was complex. Zo was de helling van deze vorm met name bij de steunpunten zo groot, dat hier een tegenkist aan de binnenzijde nodig was. Begrip De Verlengde Waalbrug heeft dankzij de unieke vorm gezorgd voor diverse ontwerptechnische en uitvoeringstechnische uitdagingen. Bij het zoeken naar oplossingen was het vooral belangrijk het gedrag van de vorm te leren begrijpen. Dat heeft P PROJECTGEGEVENS project Verlengde Waalbrug opdrachtgever Gemeente Nijmegen architect Zwarts & Jansma Architecten aannemer Bouwcombinatie i-lent, bestaande uit Dura Vermeer Divisie Infra BV en Ploegam BV leverancier mallen Verhoeven Timmerfabriek Nederland leverancier ondersteuningsconstructie Matemco LITERATUUR 1 Verhoeven, P., m 2 dubbelgekromde bekisting. Betoniek Vakblad 2014/3. 2 Groeningen, E. van, Giesen, R., Vallen en opstaan. Betoniek Vakblad 2015/2. 3 Luttikholt, A., Schoutens, P., Claassen, W., Een knap staaltje engineering (1). Cement 2015/5. 26