De effecten van hechtlagen op het gedrag van tweelaags verhardingsconstructies op orthotrope stalen brugdekken

De effecten van hechtlagen op het gedrag van tweelaags verhardingsconstructies op orthotrope stalen brugdekken M. Huurman TU Delft T.O. Medani TU Delft J.M.M. Molenaar DWW Rijkswaterstaat Samenvatting De spanningen en rekken in verhardingsconstructies op orthotrope stalen bruggen lopen veel hoger op dan in normale verhardingen op een aardenbaan. Om deze reden is de levensduur van verhardingen op stalen bruggen vaak teleurstellend. Door middel van een 3D eindige elementen berekening is inzicht verkregen in de spanningen en rekken in een tweelaags verharding op een orthotroop stalen brugdek. De berekeningen geven aan dat de eigenschappen van de membranen die in deze constructie zorgen voor hechting tussen de verschillende lagen een grote invloed hebben op het gedrag van de constructie. Membranen zijn dus belangrijke constructieve componenten. Slappe membranen of falende membranen zullen het gedrag van de verharding ernstig aantasten. De eigenschappen van de membranen vormen een ontwerpvariabele waarmee de levensduur van verhardingen op stalen bruggen kan worden verlengd. Met het inzicht dat door de simulaties is verkregen kan worden overgegaan tot de ontwikkeling van een speciaal membraan voor toepassing in verhardingen op stalen bruggen. Dit membraan kenmerkt zich door een uitgebalanceerde sterkte / stijfheid relatie. Trefwoorden Eindige elementen methode, orthotrope stalen bruggen, constructief ontwerp, membranen, hechtlagen

1 Inleiding Orthotrope stalen brugdekken bestaan uit een complexe dragende staalconstructie. Op deze constructie is een dekplaat gelast met een dikte die kan variëren van 10 tot 14 mm. De staalconstructie heeft als voordeel dat een hoge sterkte wordt gecombineerd met een laag gewicht. Deze eigenschap maakt dat orthotrope stalen brugdekken veelal worden toegepast in bruggen met een grotere overspanning, d.w.z. bruggen waarbij het eigen gewicht zo gering als mogelijk moet zijn. Op de stalen dekplaat wordt een verhardingsconstructie aangebracht. De verhardingsconstructie kan worden opgebouwd uit: (hoge sterkte) beton, kunststof gebonden materiaal of asfalt. Tevens komen verhardingsconstructies voor waarin deze materiaaltypen worden gecombineerd. Om het eigen gewicht van het brugdek laag te houden zijn verhardingsconstructies relatief dun, 30 tot 70 mm. De verschillende typen verhardingsconstructies worden met wisselend succes toegepast. Asfaltverhardingsconstructies worden echter het meest toegepast. Bij dergelijke constructies wordt veelal gebruik gemaakt van gietasfalt. Wanneer geluidsreductie van belang is, wordt op de gietasfalt onderlaag een open deklaag aangebracht en ontstaat een tweelaags constructie. Orthotrope stalen brugdekken hebben ten aanzien van het (wegbouwkundig) ontwerp van verhardingsconstructies een aantal nadelen; - ze zijn zeer slap, hetgeen resulteert in zeer hoge asfaltrekken, - ze zijn complex, hetgeen resulteert in het gebruik van sterk versimpelde ontwerpmodellen die uitgaan van een constructiegeometrie die slechts weinig relatie vertoont met de geometrie van het werkelijke brugdek, - het gedrag van stalen orthotrope brugdekken wijkt zeer sterk af van het gedrag van de onderbouw van normale verhardingen op een aardenbaan. Hierdoor zijn ervaringen uit de reguliere wegenbouwpraktijk niet bruikbaar bij het ontwerp van verhardingsconstructies op orthotrope brugdekken. De genoemde nadelen maken duidelijk waarom het ontwerp van verhardingssystemen voor orthotrope brugdekken veelal gebaseerd is op ervaring. Het is echter zeer wel mogelijk om aan verhardingssystemen op orthotrope brugdekken te rekenen. Het mechanisch gedrag van constructies onder een belasting wordt immers bepaald door drie componenten: belasting, geometrie en materiaalgedrag. De verkeersbelasting en het gedrag van materialen op brugdekken zijn identiek aan de verkeersbelasting en het gedrag van materialen in normale wegconstructies. Met een mechanische beschrijving van de geometrie van orthotrope stalen brugdekken is het dus mogelijk aan dit type brugdekken constructief te rekenen. Dergelijke berekeningen zullen leiden tot inzichten in het gedrag van de constructie en zullen een beter ontwerp van verhardingsconstructies op orthotrope brugdekken mogelijk maken. In opdracht van de regionale Directie Zuid-Holland van RWS heeft de TU Delft constructieve berekeningen uitgevoerd aan een orthotroop stalen brugdek met daarop een tweelaags verhardingsconstructie (1). Duidelijk zal zijn dat de eindige elementen methode het gereedschap bij uitstek is om de geometrie van orthotrope brugdekken op te nemen in een constructief model. Daarom heeft de TU Delft verschillende constructieve eindige elementen modellen van orthotrope stalen brugdekken ontwikkeld (2, 3, 4). Met één van deze modellen is het effect van de 2

eigenschappen van bitumineuze hechtlagen op het gedrag van tweelaags verhardingsconstructies onderzocht. De studie is uitgevoerd met het oog op de reconstructie van de verharding op de van Brienenoordbrug in 2006. De bevindingen van de studie worden hierna beschreven. In 2 wordt het constructieve model (geometrie, belasting, materiaalgedrag) besproken. Daarna worden de resultaten van de berekeningen toegelicht in 3. Deze bijdrage sluit af met een discussie, 4, gevolgd door conclusies, 5. 2 Het constructieve model Geometrie Het model dat in de studie is gebruikt is ontwikkeld met CAPA-3D en beschrijft de geometrie van een standaard orthotroop brugdek met een 10 mm dikke dekplaat. De dekplaat wordt in langsrichting ondersteund door troggen met een breedte van 300 mm, de troggen liggen steeds 300 mm van elkaar en hebben een hoogte van 325 mm. De troggen worden elke 3000 mm ondersteund door dwarsliggers. zoab gietasfalt staal Membraan #2 Membraan #1 zoab gietasfalt staal Figuur 1: Het constructieve model. Links: dwarsdoorsnede Rechts: langsdoorsnede Het verhardingssysteem op de dekplaat bestaat uit 30 mm gietasfalt met daarop 40 mm zoab. De verschillende lagen zijn onderling gehecht met hechtlagen ofwel membranen. Figuur 1 geeft een globale indruk van het constructieve model. Figuur 2 geeft een detail waarin de verschillende materialen in de constructie met verschillende kleuren zijn weergegeven. Figuur 2: De verschillende materialen in het Belasting beschouwde verhardingssysteem en het brugdek. De belasting die op het model is aangebracht bestaat uit een dubbellucht aslast met een omvang van 143 kn, de contactspanning bedraagt 0.707 MPa. De belasting is aangebracht in het midden van het veld tussen twee dwarsliggers. Het linkerdeel van figuur 1 geeft een indruk van de positie van de aslast. In het rechterdeel van figuur 1 is te 3

zien dat de belasting zich in het midden tussen twee dwarsliggers bevindt. Figuur 2 toont dat het elementennet in de directe omgeving van de aangebrachte belasting is verfijnd. Kritische doorsnede De troggen verstijven het brugdek in de langsrichting. In de dwarsrichting verstijven de troggen het brugdek niet of nauwelijks. Een gevolg hiervan is dat de verhardingsconstructie vooral blootstaat aan dwarsspanningen en rekken. In een onvoldoende sterke verharding ontstaan hierdoor vooral langsscheuren. Op gelijke onderlinge afstanden wordt het dek ondersteund door dwarsliggers. De dwarsliggers zijn aan de troggen gelast. Tussen de troggen zijn de dwarsliggers tevens aan de dekplaat gelast, zie figuur 2. In de troggen wordt de dekplaat niet door de dwarsliggers ondersteund. De dwarsliggers verhogen de stijfheid van het dek in dwarsrichting. Het voorgaande maakt duidelijk dat de grootste dwarsrekken optreden in het midden van het veld tussen twee dwarsliggers; de kritische doorsnede. Daar is de invloed van de dwarsstijfheid van de dwarsliggers immers het kleinst. Om deze reden is de aslast tussen twee dwarsliggers aangebracht. Tevens wordt hierom bij de analyse van rekenresultaten steeds gekeken naar de situatie in de kritische doorsnede. Modellering van hechtvlakken Daar waar twee materialen elkaar ontmoeten ontstaat veelal een relatief dun laagje waarvan de eigenschappen niet overeenkomen met de eigenschappen van één der materialen die het verbindt. In het geval van asfalt is dit te begrijpen door te zien dat het gedrag van asfalt in hoge mate wordt 1 2 Figuur 4: Interface elementen; schematische weergave. 1: materiaal 1, gemodelleerd met cubic elementen 2: interface elementen 3: materiaal 2, gemodelleerd met cubic elementen 3 zoab hechtvlak gietasfalt Figuur 3: Schematische weergave van een echtvlak. bepaald door de verdeling van mineraal in het mengsel. Duidelijk zal zijn dat de verdeling van mineraal binnen een laag homogeen kan zijn. In het grensvlak tussen de onder- en de bovenlaag zal door randeffecten echter geen homogene verdeling kunnen ontstaan. Hechtvlakken worden gemodelleerd door middel van interface elementen. Deze elementen hebben net als het werkelijke hechtvlak een 2D karakter; ze zijn dun en kunnen alleen normaalspanningen loodrecht op de interface en schuifspanningen in het vlak van de interface overbrengen. In een eindig elementen model kunnen interface elementen worden gezien als veerelementen, zie figuur 4. De veren in het interface element verbinden de randknopen uit de aangrenzende modelgebieden. Interface elementen 4

bieden geen weerstand tegen buiging en dragen zelf dus niet bij aan de draagkracht van de constructie waarin ze zijn opgenomen. Het voorgaande maakt duidelijk dat verschillende typen hechtlagen met interface elementen gemodelleerd kunnen worden. Het enige dat in de constructieve berekeningen immers van belang is, is de schuifstijfheid van het hechtvlak tussen twee materialen. Membranen Verhardingsconstructies worden met een hechtlaag op het staaldek aangebracht. Deze hechtlaag kan bestaan uit opgespoten bitumen of emulsie die al dan niet wordt ingestrooid, maar ook uit een speciaal voor dit doel vervaardigd bitumineus membraan. Ook tussen de verschillende asfaltlagen worden dergelijke bitumineuze membranen toegepast. Metingen aan zo n membraan (5) hebben aangegeven dat de stijfheid ervan afhankelijk is van temperatuur en vervormingssnelheid. De gemeten schuifstijfheden bedragen, wanneer het membraan alleen op schuif wordt belast, maximaal 20 MPa/mm. Om het effect van membranen op het gedrag van de verhardingsconstructie te onderzoeken zijn de stijfheden van de twee membranen gevarieerd (membraan boven en onder het gietasfalt, zie figuur 2). Er zijn 4 schuifstijfheidsniveaus beschouwd; 0.1 / 1/ 10 / 100 MPa. Dit resulteert in 16 combinaties. Alleen de 12 meest extreme combinaties zijn doorgerekend, zie tabel 1. De range aan schuifstijfheden wordt op basis van de gemeten schuifstijfheden realistisch beschouwd. Zoals gezegd dragen membranen een combinatie van normaal- en schuifspanning tussen de twee aangrenzende materialen over. Uit deze combinatie van spanningen kan de equivalente schuifspanning worden bepaald. De equivalente schuifspanning is bij afwezigheid van normaalspanning gelijk aan de werkelijk optredende schuifspanning. Wanneer het membraan normaalspanningen overdraagt wordt hiervoor gecorrigeerd, en wel zodanig dat de equivalente schuifspanning (zonder normaalspanning) dezelfde materiaalbelasting op het membraan geeft als de oorspronkelijke combinatie van normaal- en schuifspanning. Zoab en gietasfalt Mix stiffness [MPa] 100000 10 0 0 0 Data80 Model80 Data200 10 0 0 Model200 Data600 10 0 Model600 Data1000 Model1000 10 0.0001 0.01 1 100 10000 1000000 Reduced frequency [Hz] Voor zoab en gietasfalt zijn berekeningen gemaakt uitgaande van normale stijfheden. Zoab: 5500 MPa Gietasfalt: 7000 MPa De berekeningen geven aan dat de rekken in de zoab-deklaag en de gietasfalt-laag, afhankelijk van de membraanstijfheden, oplopen Figuur 5: Stijfheids mastercurve voor gietasfalt bij rekniveau s: 80/200/600/1000 µm/m. 5

tot respectievelijk bijna 700 µm/m en bijna 650 µm/m. Uit stijfheidsmetingen, die elders zijn gerapporteerd (5... 12), is gebleken dat de stijfheid van gietasfalt afneemt met het rekniveau, figuur 5. Om dit effect in de berekeningen mee te nemen is eerst de gereduceerde frequentie bepaald waarbij een stijfheid van 7000 MPa wordt gevonden bij een rekniveau van 80 µm/m. Bij deze frequentie is vervolgens de afname van de stijfheid met het oplopen van de rek bepaald, zie figuur 6. Er zijn geen stijfheidsmetingen op zoab beschikbaar, maar het is aannemelijk dat ook zoab een afnemende stijfheid met oplopende rek zal hebben. Hierom is de stijfheid van zoab, over de gehele rekrange, gelijk gesteld aan 5500/7000 ste van de stijfheid van gietasfalt. Stiffness [MPa] 7000 6000 5000 4000 S tiffness as a function of strain PA MA 3000 Figuur 6: 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Strain [µ m/m] Stijfheid als functie van rek. MA: gietasfalt, PA: zoab Gegeven het belang van stijfheid in responsberekeningen zijn twee sets met berekeningen gemaakt. In de eerste set is de stijfheid van gietasfalt en zoab constant gehouden (7000 en 5500 MPa resp.). In de tweede set is de stijfheid van gietasfalt en zoab, op basis van figuur 6, aangepast aan de maximaal optredende trekrek. Staal Het staal van het brugdek heeft in alle berekeningen een stijfheid van 210000 MPa en een dwarscontractiecoëfficiënt van 0.2. 6

Samenvatting van de gemaakte berekeningen Tabel 1 geeft een samenvatting van de berekeningen die met het model zijn gemaakt. Tabel 1: Berekeningen aan het brugdek met twee-laags verhardingssysteem. Case L/U 0.1/0.1 0.1/1 0.1/10 0.1/100 1/100 10/100 100/100 100/10 100/1 100/0.1 10/0.1 1/0.1 set #1 [MPa] 5500 5500 5500 5500 5500 5500 5500 5500 5500 5500 5500 5500 PAC Stiffness [MPa] 4000 4120 4200 4500 4600 4700 5000 4700 4400 4300 4200 4100 set #2 error 2,5% 3,8% 2,9% 0,7% -0,4% 1,5% 1,2% 2,3% 2,3% 1,3% 0,0% 0,4% Upper set #1 membrane & [MPa/mm] 0,1 1 10 100 100 100 100 10 1 0,1 0,1 0,1 shear set #2 stiffness set #1 [MPa] 7000 7000 7000 7000 7000 7000 7000 7000 7000 7000 7000 7000 MAC Stiffness [MPa] 5100 5230 5400 5400 5500 5800 6750 5750 5500 5500 5400 5300 set #2 error 2,9% 3,1% 0,5% 1,7% 1,5% 2,8% 1,0% 1,0% 0,2% -0,5% -0,2% -0,2% Lower membrane shear stiffness set #1 & [MPa/mm] 0,1 0,1 0,1 0,1 1 10 100 100 100 100 10 1 set #2 Opmerkingen: * Case L/U 0. 1/1 staat voor schuifstijfheid van de membranen; onder (tussen staal en gietasfalt): 0.1 MPa/mm, boven (tussen gietasfalt en zoab): 1 MPa/mm. * De fout die bij berekeningen set #2 wordt genoemd is het verschi l tussen de gebruikte stijfheid van gietasfalt en zoab en de stijfheid die volgt uit de berekende maximale rek. Een positieve fout geeft aan dat met een te kleine stijfheid is gerekend. * Alle berekeningen zijn lineair elastisch. * De belasting is in alle berekeningen gelijk aan de beschreven dubbelluchtas van 143 kn. 7

3 Resultaten De trends in de berekeningen met vaste stijfheden voor zoab en gietasfalt (set #1) zijn gelijk aan de trends in de berekeningen met rekafhankelijke stijfheden (set #2). Het effect van de membranen op het gedrag van het brugdek met verhardingsconstructie kan het gemakkelijkst worden geïllustreerd door de dwarsrekken in de kritische doorsnede te beschouwen. Figuur 7: Dwarsrekken in de kritische doorsnede bij slappe (boven) en stijve (onder) Maximum trekrekken [µm/m] in zoab membranen. Vervormingsfactor : 50x. 800 Case L/U 0.1/0.1 Case L/U 100/100 700 600 500 400 Transversal strain [µm/m]: 850 300 200 0.1 1 10 100 Schuifstijfheid onderste membraan [MPa/mm] Figuur 8: Dwarsrekken in het zoab (set #2) als functie van membraanstijfheden. 0-850 0.1 1 10 1 00 Schuifstijfheid bovenste membraan [MPa/mm ] Figuur 7 geeft een detail van het model ter plekke van een dubbelluchtbelasting. De kritische doorsnede ligt in het voorvlak van de figuren. De figuur is gebaseerd op resultaten uit set #1 en toont een klein deel van de vervormde constructie met slappe membranen (boven) en met stijve membranen (onder). De figuur maakt wel zeer duidelijk hoe groot de invloed van membranen op het gedrag van de totale constructie is. De trekrek in dwarsrichting in het zoab loopt op tot bijna 850 µm/m indien de membranen slap zijn, bij stijve membranen neemt de maximale trekrek af tot 155 µm/m. Ook voor de rekken in het gietasfalt blijken de membranen van cruciaal belang, hier zijn de maximale trekrekken in dwarsrichting bijna 800 µm/m tegen 100 µm/m. Figuur 7 toont tevens dat de vervormingen (en dus de rekken) in het staaldek zeer sterk afnemen wanneer de constructie stijve membranen bevat. Uit figuur 7 kan worden opgemaakt dat het gedrag van de constructie in zijn totaliteit sterk verbetert wanneer de drie materialen, zijnde; staaldek, gietasfalt en zoab, door stijve membranen in staat worden gesteld om samen te werken. Alleen indien dit het geval is, ontstaat immers één enkele composiet constructie. Wanneer de membranen slap zijn, en dus eigenlijk als glijlagen functioneren, kan er geen composiet constructie ontstaan. In dat geval wordt het gedrag van de constructie in zijn 8

totaliteit bepaald door het individuele gedrag van drie afzonderlijke lagen. Figuur 8 toont de maximale trekrek in de zoab als functie van de stijfheden van de membranen. De figuur toont dat de invloed van de twee membranen op de ontwikkeling van rek in de zoab ongeveer even groot is. De maximale trekrekken en de trekspanningen in het gietasfalt vertonen een beeld dat overeenkomt met het in figuur 8 geschetste beeld. Ook nu blijkt dat de stijfheid van beide membranen invloed heeft. Bovendien blijkt dat beide membranen ongeveer even belangrijk zijn en dat het gietasfalt fors kan worden Maximum trekspanningen [MPa] in zoab ontlast door toepassing van stijve membranen. De maximale trekspanningen in dwarsrichting in het zoab vertonen een afwijkend beeld, zie figuur 9. Deze spanningen blijken vooral afhankelijk te zijn van de stijfheid van het onderste membraan en in veel mindere mate van de stijfheid van het bovenste membraan. 4.0 3.5 3.0 2.5 membranen moet dus te allen tijde worden voorkomen. 2.0 0.1 1 10 100 Schuifstijfheid onderste membraan [MPa/mm] Figuur 9: 1.5 1.0 0.1 1 10 100 Schuifstijfheid bovenste membraan [MPa/mm] Trekspanningen in dwarsrichting in het zoab (set #2) als functie van membraanstijfheden. Ongeacht de persoonlijke visie op de ontwikkeling van schade in materialen moet op basis van het voorgaande worden geconcludeerd dat zowel brugdekken (staal) als de hierop aangebrachte verhardingsconstructie baat hebben bij toepassing van membranen met een hoge schuifstijfheid. Tevens wordt geconcludeerd dat het gedrag van de constructie zeer ernstig zal verslechteren wanneer lagen onderling verbonden zijn met weinig of geen schuifstijfheid. Toepassing van zeer schuifslappe membranen en falen van Het is duidelijk dat membranen in verhardingsconstructies op orthotrope brugdekken, ondanks hun geringe dikte, gezien moeten worden als zeer belangrijke structurele elementen. De invloed van hechtlagen op het gedrag van het geheel is zelfs zo groot dat de schuifstijfheid van hechtlagen een zeer belangrijk ontwerpcriterium vormen. Hechtlagen met een hoge schuifstijfheid maken dat de verschillende materialen samenwerken en gezamenlijk een enkele constructie vormen. Stijve hechtlagen zullen hiertoe echter wel sterk genoeg moeten zijn. Uit de berekeningen blijkt dat de maximale equivalente schuifspanning in de verschillende hechtlagen voornamelijk afhankelijk is van de stijfheid van de hechtlaag zelf, zie figuur 10. 9

Equivalente schuifspanningen [MPa] in de hechtlagen 0.35 0.25 0.15 0.05 Bovenste membraan 0.40 0.30 0.20 0.10 0.1 1 10 100 Onderste membraan 0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 Schuifstijfheid onderste membraan [MPa/mm] Figuur 10: Equivalente schuifspanningen in de hechtlagen als functie van de schuifstijfheid 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.1 1 10 100 Schuifstijfheid bovenste membraan [MPa/mm] Samenvatting van de resultaten Samengevat komen de resultaten van de simulaties voor wat betreft het gedrag van de verhardingsconstructie op het volgende neer, zie tabel 2. Tabel 2: De effecten van hechtlaagstijfheden op spanningen en rekken in de verhardingsconstructie. Calculation set #1 fixed asphalt concrete stiffness Calculation set #2 strain dependant asphalt concrete Transversal stress in PA Transversal strain in PA Equivalent shear in upper membrane Transversal stress in MA Transversal strain in MA Equivalent shear in lower membrane effect upper membrane effect lower membrane combined effect effect upper membrane effect lower membrane combined effect Case L/U >> 0.1/0.1 0.1/100 100/0.1 100/100 0.1/0.1 0.1/100 100/0.1 100/100 [Mpa] 3.923 1.805 2.310 0.762 3.692 1.753 2.205 0.755 [-] 100% 46% 59% 19% 100% 47% 60% 20% [µm/m] 695 287 442 144 836 370 508 155 [-] 100% 41% 64% 21% 100% 44% 61% 19% [Mpa] 0.037 0.482 0.026 0.408 0.032 0.451 0.024 0.400 [-] 100% 1294% 70% 1094% 100% 1394% 73% 1236% [Mpa] 4.924 4.368 2.191 0.539 4.283 3.959 2.105 0.508 [-] 100% 89% 44% 11% 100% 92% 49% 12% [µm/m] 633 462 456 94 784 546 560 99 [-] 100% 73% 72% 15% 100% 70% 71% 13% [Mpa] 0.094 0.117 0.665 0.603 0.081 0.109 0.625 0.605 [-] 100% 124% 710% 643% 100% 135% 772% 747% PA= porous asphalt (zoab), MA=mastic asphalt (gietasfalt.) Case L/U=lower membrane/upper membrane; aangegeven waarden zijn schuifstijfheden. 10

Uit het voorgaande wordt geconcludeerd dat membranen met een hoge schuifstijfheid de rekken en spanningen in de stalen dekplaat, het gietasfalt en het zoab sterk reduceren. Ongeacht persoonlijke visies op de ontwikkeling van schade in materialen moet hieruit worden geconcludeerd dat verhardingsconstructies met stijve membranen een aanzienlijk langere levensduur zullen hebben dan vergelijkbare constructies met slappe membranen of membranen die in een vroegtijdig stadium falen. Uit tabel 2 wordt afgeleid dat zeer stijve membranen (100 MPa/mm) de belasting (voor wat betreft dwarsrekken en -spanningen en dus scheurvorming in langsrichting) van zoab kunnen reduceren tot ongeveer 20% van de belasting die ontstaat bij zeer slappe membranen (0.1 MPa/mm) of gefaalde membranen. Stijve membranen brengen de belasting op het gietasfalt terug tot 11% a 15% van de belasting die optreedt bij slappe of falende membranen. Opgemerkt wordt dat de gehanteerde schuifstijfheden zijn gebaseerd op gemeten waarden. De range waarin de membraan schuifstijfheid is gevarieerd is hiermee reëel. 4 Discussie Respons van verhardingen op stalen brugdekken Figuur 11 geeft het verloop van de normaalspanning in de membranen over de kritische 0,2 Normal stress @ upper membrane Normal st ress [MPa] 0,0-0,2-0,4-0,6 Verticale spanning -0,8 i -1,0 bovenste membraan -1,2-1,4-1,6-1,8-2,0-2,2 n 0.1-0.1 0.1-1 0.1-10 0.1-100 1-100 10-100 100-100 100-10 100-1 100-0.1 10-0.1 1-0.1 Toenemende spanningsconcentratie met oplopende diepte 1600 1800 2000 2200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2400 Transversal distance to middle of axle [mm] Normal stress @ lower membrane 0,2 0,0-0,2-0,6-0,8 Verticale spanning -1,0 i -1,2 onderste membraan -1,4 Norm al stress [MPa] -0,4-1,6 n 0.1-0.1 0.1-1 0.1-10 0.1-100 1-100 10-100 100-100 100-10 100-1 100-0.1 10-0.1 1-0.1-1,8-2,0-2,2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Transversal distance to middle of axle [mm] Figuur 11: Normaal spanningen in de membranen. doorsnede. De figuren zijn te klein om absolute waarden af te lezen, maar ze geven wel een goed 11

zoab gietasfalt Figuur 12: Het systeem concentreert spanningen richting de discrete ondersteuning. beeld van het verloop van de verticale spanning over de hoogte en de breedte van de constructie. De figuur toont dat de gelijkmatig verdeelde verticale wiellastspanningen door de verhardingsconstructie en de stalen dekplaat worden geconcentreerd. De verticale spanningen kunnen immers alleen daar waar de troggen de dekplaat ondersteunen aan de brugconstructie worden overgedragen. Dit is schematisch in figuur 12 weergegeven. De figuren 11 en 12 maken hiermee duidelijk hoe groot het verschil is tussen verhardingen op aardenbaan en verhardingen op stalen brugdekken. Normale verhardingen spreiden lasten zodat de natuurlijke ondergrond slechts licht wordt belast. Verhardingen op brugdekken focussen de gelijkmatig verdeelde wiellasten zodat deze geconcentreerd aan de discrete onderliggende staalconstructie worden overgedragen. Dit maakt duidelijk dat spanningen en rekken in verhardingen op stalen brugdekken veel hoger zullen zijn dan in normale verhardingen. Tevens maakt dit duidelijk dat ervaringen met het ontwerpen van normale verhardingen niet bruikbaar zijn bij het ontwerpen van verhardingen op brugdekken. Als laatste wordt opgemerkt dat een orthotroop brugdek bestaat uit een simpele plaat (met daarop de verhardingsconstructie) die wordt ondersteund door een complexe 3-dimensionale staalstructuur. Zowel de plaat als de ondersteunende staalstructuur maken dat het 3-dimensionale karakter van de constructie gerespecteerd moet worden. Vereenvoudiging van het geheel tot balkjes is dan ook niet mogelijk. Ontwerp van membranen / membraankeuze Hiervoor is zeer duidelijk geworden dat stijve membranen de spanningen en rekken in de gehele constructie sterk zullen reduceren. Membranen zijn, ondanks hun geringe dikte, dus zeer belangrijke constructieve elementen. Tevens is gebleken dat de schuifspanningen in de membranen oplopen met de schuifstijfheid. Hieruit wordt geconcludeerd dat het ideale membraan zo stijf als mogelijk is, maar niet zo stijf dat deze bezwijkt onder de schuifspanningen die erin ontstaan. De verwachting is dat de schuifstijfheid van bitumineuze membranen omgedraaid evenredig is met de dikte. De schuifsterkte van een membraan is naar verwachting nauwelijks afhankelijk van de dikte van het membraan. Het is aldus mogelijk om een zo sterk als mogelijk membraan te ontwikkelen op basis van bestaande kennis en ervaring. De dikte van dit membraan kan vervolgens worden ontworpen op basis van rekenresultaten. De dikte wordt zodanig gekozen dat de stijfheid van het membraan ideaal is. Dat wil zeggen: het membraan is zo stijf als mogelijk, maar niet zo stijf dat de schuifspanningen in het membraan niet herhaaldelijk door het membraan kunnen worden opgenomen. Bij het ontwerp van membranen zal het noodzakelijk zijn om de eigenschappen (stijfheid, sterkte, vermoeiing) ervan te meten. Om metingen aan membranen mogelijk te maken is een bestaande schuifopstelling aangepast, zie figuur 13. 12

Figuur 13: Schuifopstelling waarmee de eigenschappen membranen gemeten worden (links) met model ter interpretatie van de meetgegevens. Zolang er geen speciaal voor verhardingsconstructies op stalen brugdekken ontwikkelde membranen met een uitgebalanceerde stijfheid/sterkte bestaan moet een keuze gemaakt worden uit bestaande membranen. Voorgesteld wordt om in deze situatie uit te gaan van een lijst van membranen die in de praktijk hebben aangetoond dat ze sterk genoeg zijn. Uit deze lijst moet vervolgens de meest stijve hechtlaag gekozen worden. Gegeven het grote belang van hechting in verhardingsconstructies op orthotrope brugdekken wordt geadviseerd altijd zorg te dragen voor goede hechting. Verlies van hechting zal het gedrag van de constructie als geheel immers ernstig aantasten. Zoab / mengselontwerp Aangetoond is dat de rekken en spanningen in zoab-deklagen op orthotrope brugdekken veel hoger zijn dan in zoab-deklagen in normale verhardingen. Onder normale omstandigheden (schuifstijfheid van de membranen 10 MPa/mm, stijfheden van zoab en gietasfalt zoals beschreven) en onder belasting van de beschreven as, zijn de trekspanningen in het zoab 2 tot 2.5 MPa (figuur 9). De trekrekken lopen in een dergelijk geval op tot ca. 400 µm/m (figuur 8). Opgemerkt wordt dat de genoemde rekken en spanningen zijn bepaald onder de beschreven 143 kn as. Grotere en kleinere aslasten komen natuurlijk voor. Bovendien is gerekend met normale stijfheden. Bij grote hitte zullen zoab, gietasfalt en membranen slapper reageren en zullen de rekken dus hoger oplopen. Bij koude zullen de materialen stijver zijn en lopen de spanningen hoger op, maar blijven rekken relatief hoog. Het voorgaande geeft aan dat zoab voor brugdekken met zorg moet worden ontworpen. Om de weerstand tegen scheurvorming zo hoog mogelijk te maken zal het mengsel zo veel bitumen (mastiek) als mogelijk moeten bevatten. De gebruikte bitumen moet bovendien zeer ductiel zijn zodat het mengsel de grote trekrekken herhaaldelijk kan opnemen. Tevens zal voorkomen moeten worden dat het materiaal bij kou zal scheuren doordat de maximale treksterkte wordt overschreden. Om ervoor te zorgen dat het mengsel ook onder herhaaldelijke blootstelling aan grote rekken intact blijft, moet aandacht besteed worden aan de adhesie tussen steen en bitumen. 13

5 Conclusies - Het gedrag van materialen in verhardingen op orthotrope brugdekken wijkt niet af van het gedrag van materialen in verhardingen op aardenbaan. - De verkeersbelasting op orthotrope brugdekken is gelijk aan de verkeersbelasting op normale wegen. - De respons van een constructie is afhankelijk van: materiaalgedrag, belasting en geometrie. - Een geometrisch constructief model van verhardingsconstructies op orthotrope stalen bruggen maakt het dus mogelijk om deze verhardingen constructief te ontwerpen. - Om deze reden is een geometrisch constructief model ontwikkeld. Met het model zijn reeds vele inzichten verkregen. - De gerapporteerde berekeningen leiden tot twee belangrijke conclusies: 1 Hechting tussen verschillende lagen is van zeer groot belang. 2 De spanningen en rekken in verhardingen op stalen bruggen zijn veel hoger dan in normale verhardingen op aardenbaan. - De membranen die in verhardingen op stalen bruggen worden gebruikt om lagen onderling te hechten zijn zeer belangrijke constructieve elementen. Falen/onthechting moet te allen tijde worden voorkomen. - Verhardingsconstructies op stalen bruggen focussen de wiellastspanningen zodat deze geconcentreerd aan de discrete ondersteuning van het dek kunnen worden overgedragen. Dit staat haaks op de functie van een normale verharding op aardenbaan, die verticale spanningen juist spreidt. Hiermee is duidelijk dat ervaringen uit de normale wegenbouw niet gebruikt kunnen worden bij het ontwerp van verhardingen op stalen bruggen. - Het is mogelijk om een membraan te ontwikkelen met een geoptimaliseerde stijfheid/sterkte. Toepassing van een dergelijk membraan zal de levensduur van zoab en gietasfalt op stalen bruggen aanmerkelijk verhogen. - Op brugdekken zal een speciaal type zoab moeten worden gebruikt. Deze zoab zal herhaaldelijk zeer grote rekken moeten kunnen doorstaan. Het is opnieuw duidelijk dat de eindige elementenmethode een zeer krachtig instrument vormt waarmee belangrijk inzicht kan worden verkregen in het gedrag van complexe constructies. De eindige elementen methode wordt dan ook in vele constructieve vakgebieden met succes toegepast. De auteurs zijn van mening dat de wegenbouw een vakgebied is met vele constructieve aspecten. Meer frequente toepassing van de eindige elementenmethode in het vakgebied wordt aanbevolen en kan in zichzelf een innovatie genoemd worden. De verwachting is dat deze theoretische innovatie zal leiden tot meer praktische vormen van innovatie. Een voorbeeld hiervan kan de ontwikkeling van een membraan met een uitgebalanceerde sterkte/stijfheid verhouding zijn. 14

Literatuur 1 Huurman, M., Medani, T.O., The structural effects of adhesive membranes in asphalt surfacings on orthotropic steel deck bridges, Report 7-05-127-5, Delft University of Technology, Laboratory of Road and Railway engineering, Delft, The Netherlands, January 2006. 2 Huurman M., Medani T.O, Molenaar A.A.A, Kasbergen C., Liu X., and Scarpas A., 3D-FEM for the estimation of the behaviour of asphaltic surfacings on orthotropic steel deck bridges, 3rd International Symposium on 3D Finite Element for Pavement Analysis, Design & Research, Amsterdam, The Netherlands, 2002. 3 Huurman M., Medani T.O., Scarpas, T., Kasbergen C., Development of a 3D-FEM for Surfacings on Steel Deck Bridges, International Conference on Computational & Experimental Engineering and Sciences, ICCES'03 Corfu, Greece, 24-29 July 2003. 4 Huurman M., Medani T.O., Molenaar A.A.A., Kasbergen, A. Scarpas, APT Testing and 3D Finite Element Analysis of Asphalt Surfacings on Orthotropic Steel Deck Bridges, 2nd International Conference on Accelerated Pavement Testing, Minnesota, USA, September 2004. 5 Medani T.O, Design principles of surfacings on orthotropic steel bridge decks, PhD thesis, Delft University of Technology, Laboratory of Road and Railway engineering, Delft, The Netherlands, March 2006. 6 Medani T. O., Huurman M., Houben L.J.M. and Molenaar A.A.A., A Proposed Fatigue Based Design Methodology for Asphaltic Mixes Applied on Orthotropic Steel Bridges, RILEM, International conference on the causes, development, maintenance and prevention of pavement cracking, Limoges, France, May 5-8, 2004. 7 Medani T. O., Huurman M., Molenaar A.A.A., Kringos N., Scarpas A. and Kasbergen C., A Practical Fatigue Based Design Methodology For Asphaltic Mixes Applied On Orthotropic Steel Bridges, CROW, Wegbouwkundige Werkdagen 2004, Ede, 2004. 8 Medani T.O, Huurman M., Kolstein M.H., Scarpas A., Bosch A., Molenaar A.A.A, Material behaviour of mastic asphalt for orthotropic steel deck bridges, CROW Wegbouwkundige Werkdagen 2002, Ede, juni 2002. pp. 386-397. 9 Medani T.O, Scarpas A., Kolstein M.H., Bosch A., Huurman M.,Molenaar A.A.A, Estimation of the ACRe material model s parameters of mastic asphalt for orthotropic steel deck bridges, CROW Wegbouwkundige Werkdagen 2002, Ede, juni 2002. pp. 475-491. 15

10 Medani, T.O. and Huurman, M, Constructing the Stiffness Master Curves for Asphaltic Mixes, Report 7-10-127-3, Faculty of Civil Engineering and Geosciences, Delft University of Technology, 2003. 11 Medani, T.O., Huurman, M. and Molenaar A.A.A, On the Constructing of Master Curves for Bituminous Mixes, Proceedings 3rd EuroBitume Congress, Vienna, Austria, May 2004. 12 Medani, T.O., Huurman, M. L.J.M. Houben and Molenaar A.A.A, A proposed Fatigue Based Design Methodology for Asphaltic Mixes Applied on Orthotropic Steel Bridges, Proceedings 5th RILEM International Conference, Limoges, France, May 2004. 16