Bij Nederlandse gemeenten bestaat er behoefte aan onderhoudsvrije bruggen, zo bleek uit marktonderzoek. Om op deze behoefte in te spelen, heeft FDN Engineering een concept ontwikkeld voor modulaire bruggen in vezelversterkt ultra-hogesterktebeton. Tegelijkertijd was de gemeente Rotterdam bezig met een eigen onderzoek naar verkeersbruggen van ultra-hogesterktebeton. Besloten werd de krachten te bundelen. De eerste brug is onlangs geproduceerd en beproefd.
thema
Modulaire UHSB brug beproefd 6 2 012 14
thema
Modulaire UHSB
brug beproefd
Bij Nederlandse gemeenten bestaat er behoefte aan onderhoudsvrije
bruggen, zo bleek uit marktonderzoek. Om op deze behoefte in te spelen,
heeft FDN Engineering een concept ontwikkeld voor modulaire bruggen in
vezelversterkt ultra-hogesterktebeton. Tegelijkertijd was de gemeente
Rotterdam bezig met een eigen onderzoek naar verkeersbruggen van
ultra-hogesterktebeton. Besloten werd de krachten te bundelen. De eerste
brug is onlangs geproduceerd en beproefd.
1
Concept voor modulaire brug in vezelversterkt ultra-hogesterktebeton
Ontwikkeling
De ontwikkeling van modulaire UHSB bruggen is
uitgevoerd door FDN in samenwerking met de
gemeente Rotterdam (C. Blom en M. Said). De
uitvoering en testen vonden plaats bij Oostzijde
Beton BV te Zaandam.
14_18 3_Modulaire_brug.indd 14 13-09-2012 08:43:11
Modulaire UHSB brug beproefd 6 2 012 15
Uit het genoemde marktonderzoek bleek dat de verschillende
beheer- en onderhoudsafdelingen zeer tevreden waren met de
huidige betonnen duikerconstructies. Ze vroegen zich af of het
mogelijk was een dergelijke onderhoudsvrije constructie te
ontwerpen voor een brug. Nader onderzoek wees bovendien
uit dat vele honderden bruggen tot 20 m lengte aan vervanging
toe waren. Mede hierdoor ontstond het idee een modulaire
brug te ontwikkelen die op verschillende locaties kan worden
ingezet. In samenwerking met de TU Delft werden de eerste
concepten gemaakt.
Ontwerp
Bij het ontwerp van de brug bestonden de volgende uitgangs-
punten:
? onderhoudsvrij voor 100 jaar;
? economisch (kosten lager dan de huidige traditionele stalen,
betonnen en kunststof bruggen).
Het zoeken naar een materiaal met een zo groot mogelijke
duurzaamheid wees in de richting van ultra-hogesterktebeton
(UHSB). Om economisch te kunnen construeren, was het de
bedoeling de bruggen zoveel mogelijk te standaardiseren.
Hierdoor kon met een standaardmal een brug met verschil-
lende lengte, breedte en vormgeving van de leuning worden
gerealiseerd.
Uiteindelijk werd voor de leuning een mal van hout ontwikkeld
met polystyreen blokken ten behoeve van de sparingen. Voor
de dekplaat werd een standaard mal toegepast.
De leuningelementen met lengte 4,3 m (foto 2) worden na het
storten aan elkaar voorgespannen. De platen, ook met een
lengte van 4,3 m, liggen op deze leuningelementen. Ze worden
met een boutverbinding bevestigd aan de leuningen (fig. 4).
Deze boutverbinding is proefondervindelijk bepaald.
Materiaal en samenstelling
Vooraf is onderzoek uitgevoerd naar specifieke aanpassingen
van het mengselontwerp met betrekking tot consistentie, vezel-
doseringen, vezelcocktails en maximale korreldiameter. Voor
de volledige brug van 18,9 m lengte en 3,4 m breedte is minder
dan 10 m 3 beton toegepast. Het gebruikte materiaal is een staal-
vezelversterkt UHSB met sterkteklasse C170/200. Deze sterkte
wordt gehaald door de dichte microstructuur van de binder.
Het ontwikkelde mengsel is samengesteld uit:
? gecalcineerd bauxiet in fracties van 0 ? 6 mm;
? portlandcement 52,5;
? micro-silica;
? hulpstoffen;
? 200 kg staalvezels (0,4 mm diameter en 12,5 mm lengte);
? water-bindmiddelfactor (wbf ) 0,16 ? 0,17.
Constructie
Het voordeel van het toegepaste beton is de zeer hoge druk-
sterkte. De rekenwaarde van de druksterkte is 130 N/mm 2. De
rekenwaarde van de treksterkte is 4,3 N/mm 2 en die van de
buigtreksterkte 7,1 N/mm 2. Hierbij is uitgegaan van [6].
Tijdens het storten van de elementen zijn proefkubussen
gedrukt. De minimale druksterkte bedroeg 190 N/mm 2, de
buigtreksterkte is gemeten op 18 N/mm 2.
De brug is ontworpen voor een variabele belasting van 5 kN/m 2
en 120 kN voertuigbelasting. In plaats van alleen staalvezels, is
ook een wapeningsnet van Ø10-200 toegepast. Bij het dimen -
sioneren van het dek bleek dat bij deze oplossing een grote
slankheid mogelijk zou zijn. De toegepaste dekdikte bedraagt
60 mm. Rekentechnisch is 40 ? 45 mm toelaatbaar (1/60 L)
door het zogenaamde CRC-principe (Compact Reinforced
Composite) toe te passen, zoals is ontwikkeld door Hans
Henrik Bache (Aalborg Portland Denemarken) in 1986. Er is
een bolling in het dek in breedterichting ten behoeve van het
afwateren toegepast. De onderzijde van het dek is recht.
De leuningen zijn ongewapend uitgevoerd en hebben een dikte
van maximaal 125 mm. Ook hier had de dikte van de stijlen
beperkt kunnen blijven tot 20 °C is de sterkte na zeven dagen
60% van de eindsterkte en na 28 dagen 98%. De toplaag trekt
bij hoge temperaturen en lage luchtvochtigheid snel aan en
vertoont plastische krimpscheuren na 30 minuten. Vooral de
dikkere betononderdelen (>100 mm) hebben hier last van. Dit
zou men kunnen oplossen door een iets hogere wbf toe te
passen (>0,16) en door te werken in een beter geconditioneerde
ruimte.
Het UHSB werd gedoseerd in een dwangmenger. Na het droog
voormengen, werd het aanmaakwater gedoseerd. Hierna
werden staalvezels gedoseerd en werd nog enige minuten door -
gemengd. De totale productietijd voor één m 3 UHSB was onge-
veer tien minuten. De dwangmenger loste door middel van een
goot in een transportkubel die naar de stortlocatie werd
gereden. Op de stortlocatie werd de kubel in een stortkubel
geleegd. Deze tweede kubel werd met behulp van een boven-
loopkraan tot circa 1 m hoogte boven de mal geplaatst. Door
het beton van circa 1 m hoogte te laten vallen, werd een eerste
verdichting bereikt en werd bij de dekplaten de wapening goed
met beton omhuld. De staalvezeloriëntatie is zoals die uit de
menger komt en is niet meer te beïnvloeden. Wel is deze vrij
homogeen met een willekeurige vezeloriëntatie.
Voorspanning
De leuningelementen kunnen stabiel rechtop staan. Ze worden,
afhankelijk van de te realiseren bruglengte, achter elkaar water -
pas opgesteld. De kopse kanten worden enigszins opgeruwd
met een bikhamer. Er wordt gezorgd dat deze echt vlak zijn
voor het voorspannen. Een tweecomponenten-epoxylijm wordt
op de kopse kanten aangebracht vlak voor het spannen. De
verhardingstijd van de lijm bedraagt twee uur. De onderste
voorspankabel wordt eerst op 10% van zijn voorspankracht
gespannen om de lijm te laten uitharden. Dit gebeurt met
behulp van geleidingsprofielen tussen de elementen, om te
voorkomen dat de elementen in dwarsrichting verschuiven.
Om het geleiden te vergemakkelijken, zijn teflon platen onder
onele wapening was toegepast. Dit bij een dekking op het
wapeningsstaal van 15 mm. De benodigde dekking volgens de
betrokken betontechnoloog was zelfs 10 mm, maar vanwege
uitvoeringstoleranties is 15 mm aangehouden. Toepassing
zonder traditionele wapening voor de leuning leek in eerste
instantie eenvoudiger ten behoeve van de productiesnelheid.
Echter, doordat hierdoor de doorsneden grotere dikten behoe-
ven, is het storten, trillen en nabehandelen ingewikkelder dan
het toepassen van eenvoudige wapeningsnetten. Achteraf
gezien was een kleinere dikte dus waarschijnlijk beter geweest.
Praktijkervaring
Om een zo hoog mogelijke druksterkte te bereiken, is een rela-
tief lage wbf toegepast. Hoewel nog hogere sterkten mogelijk
zijn door aanpassing van het mengsel en/of temperatuurbehan-
deling, zal dit niet resulteren in een veel grotere besparing op
materiaal, terwijl de kosten aanzienlijk hoger zullen zijn.
De lage wbf beïnvloedt echter de verwerkbaarheid (consistentie
en aanvang hydratatie). Met deze lage wbf gedraagt het materi-
aal zich als een dikke thixotrope pap (foto 5), vooral bij tempe-
raturen boven de 27 °C. Echter, door het toepassen van hoog
frequente trillingen (in dit geval stoktrilnaalden) verandert dit
gedrag in een plastische consistentie die goed verdicht.
De sterkteontwikkeling van UHSB is temperatuurafhankelijk.
Zeker de eerste 24 uur heeft niet alleen de temperatuur grote
invloed, maar ook de tijdsduur. De bedoeling was aanvankelijk
na één dag te ontkisten, wat theoretisch mogelijk zou zijn.
Ondanks temperaturen boven de 20 °C bleek dit echter in de
3
4
14_18 3_Modulaire_brug.indd 16 13-09-2012 08:43:20
Modulaire UHSB brug beproefd 6 2 012 17
3 De leuningelementen worden na het
storten aan elkaar voorgespannen
4 De platen liggen op de leuningelementen
5 Door de lage wbf gedraagt het materiaal
zich als een dikke thixotrope pap
6 Voor het proefbelasten van het brugdek
worden waterbakken gevuld
de elementen aangebracht. Na het voorspannen van het onder -
ste voorspanelement tot 100% wordt ook het bovenste voor -
spanelement in de leuning direct tot 100% voorgespannen.
Hierna worden de voorspankanalen gegrout. Vervolgens
worden de plaatelementen geplaatst tussen de leuning -
elementen. De gains met de boutverbinding tussen leuning en
platen worden aangestort met beton C170/200. De totale brug
kan dus samengesteld worden in één dag. Na één week is de
grout in de voorspankanalen en gains voldoende hard om in
gebruik te worden genomen.
Proefbelasten brug
Naast controle van de gehanteerde berekeningswijze voor het
ontwerpen van de brug, werd door Bouw- en Woningtoezicht
Rotterdam ge?ist dat de brug werd proefbelast. Dit moest met
1,2 keer de variabele belasting van 5 kN/m 2 over het volledige
dek van de brug (maatgevende belasting) en met een horizon-
tale belasting tegen de leuning van 1,2 keer 3 kN/m 2. De resul-
taten van de proefbelasting moesten overeenkomen met de
berekende waarden voor het afgeven van de definitieve bouw-
vergunning.
De variabele belasting werd aangebracht door middel van
waterbakken op het brugdek. Deze werden tot 60 cm hoogte
gevuld (foto 6). De horizontale leuningbelasting werd aange-
bracht door middel van een tirvor (spanvoorziening om kabel
te spannen) met krachtmeter (verbonden met kabels en strop-
pen aan de leuning) om de 1 m in de lengterichting van de
brug.
Metingen aan de doorbuiging van de brug in onbelaste en
belaste toestand werden uitgevoerd door professor Walraven
van de TU Delft. Ook werd de brug gecontroleerd op scheuren.
Tabel 1 Doorbuigingen constructie onder volledige belasting van 5 kN/m 2
berekeningen 2D-model berekeningen3D-model proefbelasting toelaatbaar
uz leuning midden 2,5 mm 2mm 3 mm 21 mm
uz dek midden 2,3 mm 1,7 mm 2 mm 4,5 mm
uz totaal 4,8 mm 3,7 mm 5 mm 25,5 mm
5
6
14_18 3_Modulaire_brug.indd 17 13-09-2012 08:43:33
thema
Modulaire UHSB brug beproefd 6 2 012 18
7 3D-model van de doorbuigingen
8 Eindresultaat van de modulaire UHSB brug
goedkoop worden getransporteerd. Hierdoor is er de mogelijk-
heid de bruggen in Nederland te produceren en te exporteren.
Conclusies project
Uit het project zijn verschillende conclusies te trekken:
? het is haalbaar uit twee kleine mallen (leuning en plaat)
bruggen met een lengte tot 21,5 m en breedte tot 5 m
economisch te produceren;
? slankheden van 1/60 L zijn realiseerbaar;
? de berekeningsmethode die is aangehouden door onze
constructeurs, inclusief de gehanteerde materiaalsterkten, is
correct;
? de combinatie van traditionele wapening en voorspanning
leidt tot de meest optimale constructies;
? voor 100 jaar levensduur is een dekking benodigd van mini-
maal 10 mm; uit praktisch oogpunt is 15 mm aan te bevelen;
? het toegepaste beton is ook uitvoerbaar in zelfverdichtend
beton, echter meer onderzoek is hiervoor noodzakelijk in
verband met krimp en vezeloriëntatie;
? nu is de uitvoering relatief eenvoudig uitgevoerd met stoktril-
naalden, maar een hoogfrequente triltafel heeft de voorkeur;
? er zijn geen problemen opgetreden met de voorspanning; in
het verleden zijn schades gerapporteerd bij de combinatie van
UHSB en voorspanning in verband met de aansluitingen
tussen de verschillende onderdelen, waardoor spatten van de
hoeken/vlakken optrad.
Tijdens het ter perse gaan van dit artikel was het de verwach-
ting dat de eerste modulaire UHSB brug in september 2012 zou
worden geplaatst in Rotterdam. ?
De doorbuigingen van het 3D-model staan in figuur 7.
De gemeten waarden komen goed overeen met de berekende
doorbuigingen. Hiermee is de gehanteerde berekenings -
methode dus gevalideerd.
Er was geen sprake van enige visuele scheurvorming bij belasten
tot 20% boven de maximale gebruiksbelasting, ofwel 6 kN/m 2.
Uit de resultaten volgt dat het dek, met zijn 60 mm dikte, met
gebruikmaking van traditionele wapening al redelijk geoptima-
liseerd is qua doorbuigingen. De leuning echter kan minder
stijf worden gemaakt door toepassing van wapening voor de
sterkte en het hanteren van doorsnededikten van 90 mm in
plaats van 125 mm (28% vermindering van de dikte).
Mogelijkheden brugsysteem
De modulaire bruggen zijn uit te voeren met verschillende
leuningontwerpen. Architecten hebben hierbij de vrijheid zelf
de leuning aan te passen aan de omgeving. Nu is er gekozen
voor een vlakke brug, maar een getoogde brug, bestaande uit
standaardelementen, is ook mogelijk en zal leiden tot kleinere
betondoorsneden vanwege de boogwerking. Op eenvoudige
wijze kunnen polystyreen elementen worden vervaardigd die in
de mal worden gelegd ten behoeve van de benodigde vorm -
geving. Deze polystyreen elementen worden 3D gefreesd en
zijn veelvuldig te hergebruiken.
Met de huidige mallen kunnen bruglengten tot 21,5 m en
-breedten tot 5 m worden gerealiseerd. De bruggen zijn uit te
voeren in verschillende kleuren.
Een aanvullend voordeel van dit modulaire systeem is dat de
elementen voor een brug van 21,5 m lengte passen in een
20 voets zeecontainer met een te openen bovenzijde. Er wordt
voldaan aan de eisen aan volume en gewicht. Daardoor kan
? LiTera Tuur
1 Broek, B. van den, Berekenings-
wijze UHSB brug aan de
Hoekersingel, 2011.
2 Falbr, J., 3D modelling
C170/200 bridge Hoekersingel
Rotterdam, 2011.
3 Broek, B. van den, Vries, T. de &
Veen, C. van der, Modulaire
bruggen in UHSB. Cement
2009/6.
4 Broek, B. van den, Modulaire
autobrug in vezelversterkt
ultra-hogesterkte beton, 2009.
5 Vries, T. de, Modulaire brug in
vezelversterkt hogesterkte
beton, 2008.
6 AFGC/SETRA, Ultra High
Performance Fibre-Reinforced
Concretes: Interim Recommen-
dations, 2002.
7
8
14_18 3_Modulaire_brug.indd 18 13-09-2012 08:43:35
Reacties