Ontwerpen oplegmateriaal (1)1201378Het doel van oplegmateriaal is het overdragen van belasting,waarbij rotatie en in sommige gevallen ook verplaatsingenmogelijk moeten zijn. In NENEN 13371:2000 is dit als volgtomschreven:3.1.1 bearings: Bearings are elements allowing rotation betweentwo members of a structure and transmitting the loads defined inthe relevant requirements as well as preventing displacements(fixed bearings), allowing displacements in only one direction(guided bearings) or in all directions of a plane (free bearings) asrequired.Een veel voorkomend materiaal dat voor opleggingen wordttoegepast is elastomeer. Het bovenvlak van een elastomeer blokkan verschuiven ten opzichte van het ondervlak, waardoor eenzekere verplaatsing van de constructie mogelijk is. Door eenOntwerpen oplegTussen aannemers, architecten, constructeurs enleveranciers bestaat in de praktijk een spannings-veld op het gebied van opleggingen. Door hetgebrek aan kennis van elkaars vakgebied komt eenjuiste toepassing van de producten nogal eens in deknel. In dit eerste artikel in een serie van twee wordtingegaan op de norm voor opleggingen,NEN-EN 1337, en op een juiste toepassing van dedaarin genoemde oplegmaterialen.1Ontwerp en toetsing elastomeer opleggingen volgens NEN-EN 1337-3Ontwerpen oplegmateriaal (1) 12013 791 Vilton type B metstalen scheg2 Oplegging van beton opbeton met ongewapendelastomeer (Vilton EPDM)dat vervormt doorindrukkingvoor dit probleem nu overigens een oplossing gevonden: een inhet oplegblok ge?ntegreerd schegstuk (foto 1).In de montagefase kan verschuiven van de constructie over hetoplegblok optreden als gevolg van te weinig wrijving door eenlage verticaalkracht. Verschuiven kan echter ook maatgevendzijn in de situatie van de maximale remkracht in combinatiemet betonkrimp en verkorting door temperatuur.Wanneer horizontaalkrachten te groot worden, kunnenblokken worden `verankerd' aan de constructie. Bij spoorbruggen is dit vrij gebruikelijk, maar bij verkeersbruggen wordt ditin Nederland, in tegenstelling tot Duitsland, weinig toegepast.materiaal (1)gudy Verhoeven,ing. Wilco SliggersViltoning. Bouwe van Ens,Kasper KerkhofTauwArtikelen oplegmateriaalHet artikel over oplegmateriaal bestaat uit twee delen. In diteerste deel wordt een toelichting gegeven op elastomeeroplegblokken en de regelgeving. Vooral de verschillen tussenNEN 6723:1995 en de nieuwe NEN-EN 1337 worden belicht. Inhet volgende artikel wordt nader ingegaan op de toetsingvolgens de nieuwe norm.indrukkingsverschil tussen ??n zijde en de tegenoverliggendezijde is bovendien rotatie van het gedragen element tenopzichte van het dragende element mogelijk. Dit maakt elastomeer, mits een aantal zaken in acht wordt genomen, tot eenideaal oplegmedium (bearing) tussen beton en beton, staal enstaal of tussen staal en beton.Bij hoekverdraaiingen gaat het in het algemeen over kleinehoeken. De rotatie wordt meestal uitgedrukt in milliradialen(orde van grootte ca. 1? 17 mrad). Hierbij geldt dat de hoekin radialen ongeveer gelijk is aan de tangens van de hoek. Bijprefab betonnen brugliggers is de situatie qua hoekverdraaiingdirect na montage van de liggers nogal eens kritisch. Er wordenin de montagefase dan ook regelmatig arbeidsintensieve maatregelen getroffen in de vorm van schegvormige opstortingenop de opleggingen om tegemoet te komen aan de eisen. Er is2Ontwerpen oplegmateriaal (1)1201380Materialen en verschijningsvormenElastomeer is een verzamelnaam voor verschillende soortenpolymeren met rubberachtige eigenschappen. Bekende voorbeelden zijn chloropreen (CR), natuurrubber (NR), EPDM enSBR. Naast ongewapende typen kunnen opleggingen ookworden gewapend met staalplaten. Dit wordt wijdverbreidtoegepast voor brugopleggingen.In [2] werd qua materialen, naast CR en NR, ook nog gesproken over vilt. NENEN 13373 [4] is uitsluitend van toepassingop elastomeer opleggingen vervaardigd uit CR en NR. Eenongewapend oplegblok kan echter ook heel goed in anderematerialen worden uitgevoerd, zoals EPDM. Dit materiaal valtbuiten de nieuwe norm, maar is in DIN 4141 wel beschreven.Materiaal en productontwikkelingen staan niet stil en ook demarkt is in beweging. Juist in de huidige stagnerende bouw kaneen ander materiaal of andere vormgeving een belangrijkverschil uitmaken, maar dat moet uiteraard wel technisch enfinancieel worden verantwoord. EPDM en SBR zijn in de utiliteitsbouw meestal voldoende duurzaam, terwijl ze financieeleen stuk aantrekkelijker zijn dan CR of NR. Intern opCENniveau wordt door diverse landen op toevoeging vanandere materialen aangedrongen, maar implementatie in [4] isniet eenvoudig. Toch zal hiervoor binnen enkele jaren eenoplossing moeten worden gevonden.In [4] ontbreken niet alleen opleggingsklassen en materialen,ook worden vormen en oppervlaktestructuren niet beschreven.Het oppervlak van elastomeer kan namelijk geperforeerd(foto 3) zijn, of zijn voorzien van noppen (foto 4) of een wafelstructuur. De doorsnede kan textielgewapend of trapeziumvormig zijn. Dit wordt echter alleen in de utiliteitsbouwtoegepast en niet in de bruggenbouw.Geschiedenis regelgevingDe eerste normgeving over het ontwerpen van gewapende enongewapende elastomeer opleggingen in Nederland staat in deVoorschriften beton ? Bruggen (NEN 6723:1995, art. 9.4t.m. 9.7 [2]).Ruim v??r het uitkomen van deze norm had Rijkswaterstaat,directie Bruggen, al een eigen publicatie uitgebracht waarinhet nodige werd gezegd over het ontwerpen van `rubber'opleggingen [1]. In 2009 is een nieuwe norm voor betonnenbruggen uitgekomen: NEN 6723:2009 [3]. Hierin staan geenontwerpregels meer voor elastomeer opleggingen, maar wordtverwezen naar NENEN 1337 [4]. Deze Engelstalige normvoor opleggingen voor bouwkundige en civieltechnischetoepassingen bestaat uit elf delen. Deel 3 gaat over opleggingen van elastomeren. De norm is niet alleen van toepassingop de bruggenbouw, maar ook op de utiliteitsbouw. Het groteverschil tussen de oude en de nieuwe norm is dat, in de lijnvan de Eurocodes, de opleggingen nu getoetst moeten wordenin de UGT (uiterste grenstoestand met betrekking totbezwijken), terwijl dat daarvoor in de BGT (bruikbaarheidsgrenstoestand) geschiedde.Voor ongewapende elastomeer opleggingen in de utiliteitsbouwwordt op dit moment nog vaak gebruikgemaakt van DIN 4141[7], die geldig blijft tot december 2016. Deze DIN 4141 maaktin tegenstelling tot [4] onderscheid in twee soorten klassen opbasis van instortingsgevaar bij het bezwijken van de oplegging:klasse 1 voor opleggingen die bij bezwijken tot instortingsgevaar leiden en klasse 2 die bij bezwijken niet tot instortingsgevaar leiden. Diverse fabrikanten beschikken over een goedgekeurd attest, een zogenoemd `Algemeines BauaufsichtlichesPr?fzeugnis' (ABP) volgens DIN 4141 deel 3. Dit attest wordtin het algemeen geaccepteerd in de Nederlandse markt en isofficieel verlengd tot 2016.3Ontwerpen oplegmateriaal (1) 12013 81type A:elastomeer oplegging gewapendmet ??n staalplaattype B:elastomeer oplegging gewapendmet tenminste twee staalplatentype C:oplegging met aan de buitenzijdestaalplaten (geprofileerd of tefixeren)NB: de schets toont voorbeeldenvan enkele fixeermethoden;andere methoden kunnen inoverleg worden toegepasttype D:als type B met PTFE laaggevulkaniseerd aan hetelastomeertype E:als type C met PTFE laaggevulkaniseerd aan staalplaat aan??n buitenzijdetype F:ongewapend oplegblok of -strook*) combinaties van typen zijn mogelijk3 Vilton CI Perfo ST4 Vilton Noppenblok Q5 Typen opleggingen A t.m. F volgensNEN-EN 1337-3 (Elastomeric bearings) [4]materialen mogen niet te ver worden ingedrukt. Hierdoorzouden ze te stijf worden, waardoor ze veel geluid gaan doorgeven. Ze mogen echter ook niet te weinig indrukken, wantdan is de isolerende werking tegen trillingen weer te klein. Hetis bij deze opleggingen van belang dat men rekent met eenspanning op het materiaal die is gebaseerd op een werkelijkesituatie. Een maximaal belaste BGTsituatie is in dit geval nietrealistisch. Vaak wordt voor een re?le situatie de maximalevariabele belasting vermenigvuldigd met een factor 1/3. Ditheet dan de `acoustic design load' (ADL), waar geen `veiligheidsfactoren' in zijn gebruikt: permanente belasting + 1/3 vande variabele belasting. Voor akoestische opleggingen wordenandere materialen gebruikt dan CR of NR. Dit is vaak eencombinatie van materialen, bijvoorbeeld NR met als toeslagstof45Werking elastomeerElastomeer is elastisch en volumeconstant: een indrukking vande bovenzijde gaat samen met het zogenoemde `uitbuiken' vande zijden. Met name dit uitzetten van de oplegging zorgt vooreen overdracht van horizontale schuifspanningen naar deaanliggende constructiedelen. Om dat mogelijk te maken, mageen elastomeer blok daarom nooit zijdelings zijn opgesloten.Door het elastomeer te wapenen, worden de horizontale spanningen in het elastomeer en de aanliggende betonconstructiebeperkt. Om bij ongewapende elastomeren de ontwerpfilosofievoor gewapende elastomeer opleggingen te kunnen gebruiken,wordt de indrukking begrensd op 30% van de dikte of wordt deschuifspanning beperkt tot 5 MPa. De bezwijkspanning vaneen elastomeer oplegging ligt vaak (vele malen) hoger dan5 MPa of de spanning bij 30% indrukking. Bedenk ook dat destijfheid oploopt met de toename van de belasting.De eerder genoemde afwijkende vormen zijn ontwikkeld omminder horizontale schuifspanningen in de omliggende constructie over te brengen ten opzichte van de standaard massieve elastomeren. Hierdoor mogen sommige elastomeren zwaarder wordenbelast, tot wel 25 MPa in de BGT in plaats van de 15 MPa dievaak bij staalgewapende blokken wordt gehanteerd.Bij utiliteitsbouwopleggingen wordt minder vaak gekeken naarhorizontale verplaatsingen of hoekverdraaiingen dan bij brugopleggingen. Gelukkig zijn enerzijds de krachten op de oplegging in de utiliteitsbouw meestal niet groot in vergelijking metbrugopleggingen en zijn anderzijds de daar toegepaste opleggingen toch in staat om enige verplaatsing en/of hoekverdraaiing op te nemen, waardoor de oplegging meestal toch goedpresteert, ondanks het tekort aan constructieve aandacht.Opleggingen die als hoofdreden een akoestische functiehebben, vereisen weer een andere aanpak. De daarin toegepasteOntwerpen oplegmateriaal (1)12013826 Staalgewapend oplegblok Gumba type Bgrootte van het oplegblok. Vervolgens werden deze drie spanningen opgeteld. Deze gesommeerde schuifspanning mocht inde BGT nooit groter zijn dan 5 x G, waarin G de glijdingsmodulus is van het materiaal in MPa. De grootte van G isafhankelijk van de hardheid van het materiaal en de temperatuur: bij lage temperaturen is de stijfheid hoger dan bij hogetemperaturen. De norm gaf in figuur 28 hiervoor een `indicatie'.Het was echter onduidelijk hoe hier dan mee moest wordengerekend. De hardheid (stijfheid) van het materiaal werd uitgedrukt in een aantal graden Shore A, die bij het meest gebruiktemateriaal 60? bedroeg. Bij `normale' temperaturen bedroeg denominale glijdingsmodulus circa 1 MPa, waardoor meestalgerekend werd met een maximale spanning van 5 MPa. Aangezien de spanning uit horizontale verplaatsing beperkt was tot0,7 MPa werd meestal gemakshalve aangehouden dat dezespanning maximaal was, waardoor de schuifspanning uitoplegreactie en hoekverdraaiing nog 4,3 MPa mocht zijn.kurk, polyurethaanschuimen, granulaatrubbers (gerecyclederubbers) of kurkelastomeren (voornamelijk kurk metSBR/NBR/NR), die als doel hebben trillingen te dempen en teisoleren.Werkwijze bij toetsing volgens NEN 6723:1995De oplegblokken moesten in NEN 6723:1995 [2] wordengetoetst in de BGT, waarbij er een verschil was tussen de toetsingswijze van gewapende en ongewapende opleggingen.Gewapende oplegblokkenIn [2] is aangegeven hoe schuifspanningen in het oplegblok alsgevolg van de verticale oplegreactie, de hoekverdraaiing en dehorizontale verplaatsing van de bovenbouw ten opzichte van deonderbouw konden worden berekend. De schuifspanning wasrechtlijnig met de grootte van de kracht, het oppervlak van hetoplegblok en een zekere factor die afhankelijk was van de6Ontwerpen oplegmateriaal (1) 12013 83Werkwijze bij toetsing volgens NEN-EN 1337NENEN 1337 [4] bestaat uit elf delen. Dit artikel behandeltdaarvan slechts de delen 1 (General design rules) en 3(Elastomeric bearings). In deel 3 worden diverse typen opleggingen gedefinieerd: A t.m. F (fig. 5). Deze typering zegt alleeniets over de opbouw van het oplegblok van CR en/of NR entoegevoegde materiaal als staal en PTFE. In dit artikel wordenalleen de elastomeer opleggingen behandeld, en dan in hetbijzonder de nietverankerde versies van de ongewapende ende met staalplaten gewapende opleggingen al dan niet met eenglijlaag (sliding element). Het gaat daarbij om type B, D en F,die in Nederland in de bruggenbouw en utiliteitsbouw hetmeeste worden toegepast. Type B is het standaard (onverankerde) staalgewapende oplegblok (foto 5) en type F is eenongewapend blok of strook. Type D komt overeen met type B,maar is voorzien van een glijlaag in de vorm van PTFE (in ditgeval) op de bovenzijde van het oplegblok (foto 7).De toetsing van elastomeer opleggingen vindt plaats in deuiterste grenstoestand met betrekking tot bezwijken (UGT).NENEN 1337 geeft niet aan welke combinaties moetenworden gekozen. In deel 1 van [4] staat dat wanneerbelastingen, verplaatsingen en belastingsfactoren niet zijngegeven, deze moeten worden vastgesteld in overeenstemmingmet de Eurocode. Dit geeft de kans op interpretatieverschillen,aangezien de in rekening te brengen belastingscombinatiesniet in de norm zijn vastgelegd en de annex A2 vanNENEN 1990+A1+A1C2 (december 2011) uitdrukkelijk nietvan toepassing is op opleggingen. Rijkswaterstaat heeft daarvoor NBD 00702A opgesteld [5], die recent is omgezet inRTD 1012 (30 januari 2012) [6].De formule voor het bepalen van de maximale schuifspanning door horizontale verplaatsing was eenvoudig:;h;l;d= G x h;l;d/ htot. Bij verplaatsingen groter dan circa30 tot 50 mm werden echter al gauw glijopleggingen toegepastom te voorkomen dat de opleggingen te dik en daardoor teduur gingen worden.Het bepalen van de schuifspanningen als gevolg van de verticaalkracht en de hoekverdraaiing geschiedde met wat complexereformules. De afzonderlijke schuifspanningen als gevolg van deverticaalkracht en de hoekverdraaiing waren niet beperkt. Dithield in dat er een maximale verticaalkracht [kN] te berekenenwas bij een toelaatbare hoekverdraaiing van 0, of een maximalehoekverdraaiing [mrad] bij een toelaatbare oplegreactie van 0.Uitgangspunt was wel dat het blok niet mocht `kieren'. Dit werdvoorkomen door de schuifspanning als gevolg van de hoekverdraaiing niet groter te laten worden dan die als gevolg van deverticaalkracht. De maximale druk (verticaalkracht gedeeld dooroppervlakte oplegblok) kon vari?ren van circa 15 tot circa 40 MPa.Deze druk kon worden beperkt door de sterkte van de aanliggende constructie of die van het oplegmateriaal zelf.Aangezien de spanningen rechtlijnig waren met de krachten,kon gebruik worden gemaakt van eenvoudig af te lezendiagrammen die, per afmeting oplegblok, door de leverancierster beschikking werden gesteld. In de diagrammen werd hettoepassingsgebied van een oplegblok grafisch weergegeven,afgemeten aan oplegreactie en hoekverdraaiing.Ongewapende oplegblokkenHet toetsen van ongewapende oplegblokken was eenvoudiger.Ook hier moesten oplegreactie, hoekverdraaiing en verplaatsing worden getoetst in de BGT, maar hoefden spanningen niette worden gecombineerd. Het ging om drie los van elkaarstaande toetsen:? de maximaal toelaatbare drukspanning in het oplegblokmocht niet meer dan 5 MPa bedragen;? de maximaal toelaatbare hoekverdraaiing [mrad] bedroeg0,2 x de rubberhoogte gedeeld door de breedte van het oplegblok loodrecht op de as van de rotatie;? de werkzame rubberhoogte moest gelijk zijn aan de resultante van de verplaatsingen gedeeld door 0,6.Qua verschuiven moest verder nog worden voldaan aan de eisdat de resulterende horizontaalkracht op een oplegblok kleinermoest zijn dan 0,2 x de minimale verticale belasting. Dezelaatste eis bracht met zich mee dat het eigen gewicht van eenbrugdek aan een zeker minimum moest voldoen om voldoendewrijving te kunnen ontwikkelen om remkrachten te weerstaan.Ongewapend elastomeer wordt tegenwoordig in veel landenongeschikt geacht om toegepast te worden in blijvende opleggingen onder bruggen.Combinaties van belastingen en verplaatsingenDe volgende belastingscombinaties worden onderscheiden:CULS-1uiterste grenstoestand:minimale respectievelijk maximale verticale opleg-reacties met bijbehorende horizontale belastingen(meer combinaties mogelijk)CULS-2uiterste grenstoestand:maximale horizontale oplegreacties met bijbehorendeverticale belastingenCULS-3bijzondere belastingenCSLS-1bruikbaarheidstoestand:minimale verticale oplegreactie met bijbehorendehorizontale oplegreactiesCFATvermoeiingOntwerpen oplegmateriaal (1)1201384bouw inderdaad constructieve opleggingen, maar ook veelopleggingen zijn `praktisch' (vergelijk DIN 4141 klasse 2, geeninstortingsgevaar).Er wordt op dit moment gewerkt aan het aanpassen van denorm [4]. Verwacht wordt dat de delen 1, 9, 10 en 11 zullenworden gecombineerd tot ??n nieuw deel 1. Een nieuwe versiezal naar verwachting medio 2013 het licht zien en is waarschijnlijk niet samen met andere bestaande delen te gebruiken.Daarom is er nu tot 2016 een overgangsfase voor oplegmaterialen met ABP, toepasbaar voor klasse 2. Daarna moeten alleelastomeer opleggingen die niet met NENEN 1337 corresponderen over een ETAgoedkeuring beschikken (Europeantechnical approval).In het tweede artikel in deze serie van twee wordt nader ingegaanop de toetsing van opleggingen volgens NENEN 13373. Rijkswaterstaat beschrijft voor bruggen in [6] de belastings enverplaatsingsfactoren en de combinatiefactoren voor dediverse belastingsgevallen (zowel op belastingen als verplaatsingen). Tevens worden vijf typen van belastingscombinatiesvoorgeschreven, waarbij bedacht moet worden dat dit voor alletypen opleggingen (zoals bijvoorbeeld bolsegmentopleggingen)geldt (zie kader `Combinaties van belastingen en verplaatsingen').Het betreft dus drie UGTtoetsen (ULS = ultimate limit state),??n BGTtoets (SLS = serviceability limit state) en ??n vermoeiingstoets (FAT = fatigue). Aangezien [4] geen toetsen voorvermoeiing of BGT beschrijft, gaan we er vanuit dat we voorelastomeer opleggingen alleen naar de eerste drie belastingscombinaties moeten kijken. De BGTtoets zou bij elastomeeropleggingen te maken kunnen hebben met de totale glijwegvan een glijoplegging.Tot slotEr zijn nog relatief weinig ervaringen bekend met [4]. De redenhiervoor ligt wellicht in het feit dat infrastructurele projectenvaak een lange projectduur kennen. Hierdoor worden denormen, die bij de start van het project geldig waren, gedurende het hele project gebruikt. Aangezien [3], die [4] voorging, pas in september 2009 is uitgekomen, was tot dan toeveelal [2] geldig en nog niet de nieuwe norm. Bovendien isNENEN 1337 gebaseerd op de Eurocode, die pas volledig inwerking is getreden bij de invoering van het Bouwbesluit 2012.Een andere reden is de onbekendheid van deze norm. Er is totnu toe weinig over gepubliceerd. In de utiliteitsbouw is dezenorm nog vrijwel geheel onbekend. Er bestaan in de utiliteits LItEratuur1 Rapport Brugopleggingen.Rijkswaterstaat, directie Bruggen, 1983.2 NEN 6723:1995/A1:2003 Voorschriftenbeton ? Bruggen ? Constructieve eisenen rekenmethoden (VBB 1995).Inclusief wijzigingsblad A (2003).3 NEN 6723:2009 Voorschriften beton? Bruggen ? Constructieve eisen enrekenmethoden.4 NEN-EN 1337 Opleggingen voorbouwkundige en civieltechnischetoepassingen (11 delen).5 NBD 00702a Eisen voorbrugopleggingen. BouwdienstRijkswaterstaat (sinds 2000 diverseversies).6 Eisen voor brugopleggingen.Rijkswaterstaat Technisch document(RTD 1012:2012), 30 januari 2012.7 DIN 4141 Lager im Bauwesen.77 Staalgewapend oplegblokGumba type D