12 1 68 m lange liggers in brug in N355 bij Zuidhorn Record- overspanning in prefab beton Recordoverspanning in prefab beton 7 2015 13 De langste voorgespannen liggers die ooit ter wereld zijn geprefabriceerd, zijn in Groningen in 2014 gemonteerd. De enorme kokerliggers zijn 68 m lang en 240 ton zwaar. Ze vormen de overspanning van het hoofdveld van de nieuwe brug bij Zuidhorn in de N355. De grenzen met betrekking tot productie, transport en montage legden een aantal randvoorwaarden op voor het ontwerp. Lange liggers in bruggen en viaducten maken tussensteunpunten overbodig. Daarmee wordt de bouwtijd verkort en krijgen wegverkeer en scheepvaart meer ruimte voor een vlotte door- stroming. Dat geldt ook voor de nieuwe brug bij Zuidhorn over het Van Starkenborghkanaal. Opstoppingen door de bestaande hefbrug over het kanaal zijn dankzij de nieuwe brug verleden tijd en het kanaal tussen Lemmer en Delfzijl wordt toegankelijk voor grotere containerschepen. Ontwerpoverwegingen De brug is 152 m lang en bestaat uit twee eindoverspanningen van 40 en 44 m en een hoofdoverspanning van 68 m. De voor - keur om het brugdek uit te voeren met geprefabriceerde beton- nen liggers bestond al vanaf het begin van het ontwerp. Echter dergelijke overspanningen waren nog niet eerder gerealiseerd. Daarom moest eerst de haalbaarheid van deze oplossing worden aangetoond. Toen deze overspanning inderdaad moge- lijk bleek, was het beschouwen van andere constructietypen overbodig. Veel alternatieve oplossingen voor de hoofdoverspanning waren er niet, omdat tegen de op dat moment geldende grenzen van productiehal, transport en montage werd aangelopen. Bij het ontwikkelen van varianten lag dan ook de nadruk op de inpassing van het randdetail (fig. 2) en het ontwerp van de eindoverspanningen. De varianten zijn beoordeeld op haalbaarheid, robuustheid, esthetica en prijs. De variant met het geïntegreerde randelement 1 Inhijsen van de liggers van de nieuwe brug in de N355 bij Zuidhorn foto: Alex Wiersma ing. Pieter de Boer Ingenieursbureau Mozes en De Boer ing. Maurice Schroer MSEng Witteveen+Bos Raadgevende ingenieurs Recordoverspanning in prefab beton 7 2015 14 Figuur  3:  Dwarsdoorsnede  hoofdoverspanning   Figuur   7:  Dwarsdoorsnede   eindoverspanningen     4*1638=6553 1619 759 1559 11310 1619 759 5*1638=8192 1559 zijde, ter plaatse van de rand van de brug, bevindt zich echter een afschuining. De voegen tussen de liggers zijn 0,158 m 1, waardoor de totale breedte van het dek 11,31 m 1 is. De liggers zijn zogenoemde voorgespannen kokerliggers. Het holle, kokervormige deel, wordt gecreëerd met behulp van gerecyclede EPS-blokken. Uit berekeningen is gebleken dat er 122 stuks 7-draadsstrengen Ø15,7 zijn benodigd, waarvan er 106 in de onderflens moeten worden geplaatst (fig. 5a en b). Daarvoor is het nodig de strengen in vier lagen aan te brengen. Dit resulteert in een dikte van de flens van 265 mm. Er moet immers rekening worden gehouden met de dekking aan de binnen- en buitenzijde van de balk en met de beugels. Ook moet er voldoende ruimte tussen de strengen zijn. In beide lijven worden acht strengen toegepast die op circa een derde en twee derde van de lengte worden 'neergehouden' met neerhoudpun - ten. Op deze plaatsen zijn dwarsschotten toegepast (fig. 4). Het maximale hijsgewicht was gelimiteerd. Daarom mochten de lijven en de bovenflens niet te dik worden. De bovenflens is 240 mm 1 dik en de lijven hebben een breedte van 145 mm 1. De kokerbalken hebben verder ter plaatse van de balkeinden een massief deel met een lengte van 2,5 m 1. Om de liggers in verband met de krappe dimensies toch voldoende sterk te maken, is gekozen voor betonsterkteklasse C90/105. De voorspanstrengen worden elk aangespannen met 210 kN. De totale aanspankracht is dus maar liefst 25 620 kN. in de randligger (rechtsboven in fig. 2) scoorde het best en is verder uitgewerkt. Tevens is een afweging gemaakt over de toe te passen voegovergangen. Engineering hoofdoverspanning De hoofdoverspanning, het middelste veld, heeft een overspan - ning van 68 m 1. Voor de liggers is een hoogte bepaald van 2,2 m 1. De dwarsdoorsnede van deze overspanning bestaat uit vijf tussenliggers en twee randliggers (fig. 3). De tussenliggers hebben een bodembreedte van 1,48 m 1 en zijn rechthoekig van vorm. De beide randliggers hebben dezelfde breedte. Aan één 3 759 759 1619 1619 1559 1559 11 310 4 × 1638 = 6553 5 × 1638 = 8192 2 Varianten brugrand en eindoverspanning 3 Dwarsdoorsnede hoofdoverspanning 2 300 300300 300 300 250250 250 250 2358 2200 1900 2200 1900 2200 1900 2200 1950 2200 1950 1900 1650 1900 1650 Recordoverspanning in prefab beton 7 2015 15 4 De strengen in de lijven van de kokerliggers van de hoofdoverspanning worden neergehouden met 'neerhouders'; op deze punten zijn dwarsschotten toegepast 5 In de kokerliggers van de eindoverspanning zijn 122 7-draadsstrengen toegepast, waarvan er 106 in de onderflens moeten worden geplaatst 6 De voegen zijn over de bovenste 300 mm gevuld met een mortel, door een (verloren) bekistingsplaatje tussen de liggers aan te brengen Voor deze hoge voorspanbelasting was een aanspansterkte van het beton gelijkwaardig aan C50/60 nodig. Om ervoor te zorgen dat de liggers in de eindfase samenwerken om de belasting te spreiden en daardoor verkeersbelasting gezamenlijk dragen, worden ze in dwarsrichting nagespannen. Daarvoor zijn de voegen over de bovenste 300 mm gevuld met een mortel, door een (verloren) bekistingsplaatje tussen de liggers aan te brengen (fig. 6). Als de voegen voldoende zijn verhard, worden voorspankabels, in dit geval kabels met zeven Ø15,7 strengen h.o.h. 1,2 m 1, door de bovenflenzen en voegen aangebracht en gespannen. Voor de liggers is bij deze overspanning het eigengewicht de voornaamste belasting. Zij vormt 62% van de belasting die met voorspanbelasting moet worden opgenomen. De overige rustende (16%) en mobiele belasting (22%) zijn ten opzichte van normale dekken minder overheersend. Tijdens het trans- port en montage op de bouwplaats levert het eigengewicht nog een bijzonder belastinggeval op, doordat er sprake is van een overstek (vanwege de tijdelijke oplegging) van 5 m 1. Engineering eindoverspanningen De eindoverspanningen zijn met 40 en 44 m 1 een stuk minder lang dan de hoofdoverspanning. Doordat de constructiehoogte wel gelijk is aan die van de hoofdoverspanning, namelijk 2,2 m 1, hebben deze liggers veel reserve. Daarom zijn slechts vier liggers voldoende ten opzichte van zeven van het middendeel (fig. 7). Er is gekozen voor 1,9 m 1 hoge kokerbalken met een druklaag van gewapend beton en met een dikte van 0,30 m¹. Deze druk- laag overbrugt hierdoor van ligger naar ligger circa 1,8 m 1 en bevat voldoende sterkte en stijfheid, waardoor het toepassen van dwarsvoorspanning niet noodzakelijk is. Om het beton te kunnen storten, zijn tussen de liggers betonnen bekistingspla- ten van 100 mm¹ dik aangebracht die door middel van stalen 'handjes' op de kokerbalken zijn gelegd. 4 6 5b 5c dwarsvoorspanning bekisting voeg vullen metmortel C30/37 Recordoverspanning in prefab beton 7 2015 16 Figuur   3:  Dwarsdoorsnede  hoofdoverspanning   Figuur   7:  Dwarsdoorsnede   eindoverspanningen     4*1638=6553 1619 759 1559 11310 1619 759 5*1638=8192 1559 Tabel 1 Overzicht geprognosticeerde steunpuntszakkingen as 1 as 2 as 3as 4 steunpuntszetting installatie voeg tot oplevering brug 0 mm0 mm41 mm 12 mm restzetting na oplevering brug 34 mm46 mm 36 mm50 mm totaal 34 mm46 mm 77 mm62 mm 70 % 70 % 130% zetting t.b.v. buigslappe voeg as 2 24 mm32 mm100 mm 130 % 70 %70 % zetting t.b.v. buigslappe voeg as 3 60 mm54 mm43 mm 7 Dwarsdoorsnede eindoverspanning 8 Wapening in liggers van eindoverspanning met oplegdetail van bekistingsplaten 9 Transport van de brugliggers over het water 10 In liggers is ruimte gehouden voor de dwarsvoorspanning Voor deze balken zijn 91 voorspanstrengen nodig, waarvan 81 in de onderflens. Dit kan in drie lagen worden aangebracht (fig. 8 ). De benodigde dikte bedraagt hierdoor 220 mm 1. De bovenflens is met 180 mm relatief dun, omdat de druklaag de functie van betondrukzone op zich neemt in de eindfase. Vanwege de dwarskracht in combinatie met torsie in deze liggers, zijn de lijven dikker dan in de middenoverspanning: 180 mm 1. Door de grote, werkende breedte per ligger van bijna 3,3 m 1 en het extra gewicht van de druklaag verdeeld over liggers, zijn de dwarskrachten en reactiekrachten per ligger bijna net zo groot als die bij de middenoverspanning. Dit ondanks de klei- nere overspanning. Ook de oplegblokken onder deze liggers zijn iets groter dan die onder de liggers van de hoofdoverspanning, omdat de totale belasting wordt verdeeld over minder opleg- blokken. Bovendien moeten verschilverplaatsingen bij opleggin- gen ter plaatse van de landhoofden worden opgenomen. Engineering voegen Om onderhoudskosten en geluidsoverlast tot een minimum te beperken, zijn alleen bij de landhoofden rubberen expansievoe- gen toegepast. Ter plaatse van de pijlers zijn buigslappe voegen toegepast. De buigslappe voegen zorgen er bovendien voor dat de horizontaalkrachten gelijkmatig worden verdeeld over de steunpunten. Dit was noodzakelijk in verband met de verdeling van de remkrachten over de onderbouw en het beperkte draag- vermogen van de ondergrond. De drie dekken zijn door middel van zogenoemde buigslappe voegen met elkaar verbonden (fig. 12). In het algemeen worden deze voegen gewapend met twee lagen Ø12-75, zoals Rijkswa- terstaat dat in haar standaarddetail voorschrijft. Daarbij gelden restricties aan onder andere de verhouding tussen de overspan - ningen. Deze mogen niet meer dan 20% van elkaar afwijken. Omdat de overspanningen bij deze brug hier niet aan voldoen, 7 8 775 3242 3242 3277 3277 3277 3278 3278 11 310 775 Recordoverspanning in prefab beton 7 2015 17 Op de EEM-modellen zijn de belastingen geplaatst die aanwezig zijn als alle liggers samenwerken, ten gevolge van de dwarsvoor- spanning (hoofdoverspanning) of ten gevolge van de druklaag (eindoverspanning). De uitgangspunten bij de belastingen zijn: - ontwerplevensduur van honderd jaar, gevolgklasse CC2; - de rustende belasting bestaat uit asfalt en schampstroken en randbelastingen ten gevolge van een leuning, sierrand en geleiderail; - de rijbaanbreedte is 8,51 m waardoor twee rijstroken kunnen worden belast door tandemlaststelsels. De alfa-factoren zijn allen 1,0; - voor vermoeiing geldt categorie 2 voor autowegen, ofwel een aantal van 0,5 ? 10 6 vrachtwagens op de maatgevende rijstrook per jaar; - de middenoverspanning van de brug kan verder nog worden aangevaren. Dit is geschematiseerd als een last van 1000 kN, werkend op een vlak van 0,25 × 3,0 m 2. Met deze belastingen zijn de momenten, dwarskrachten en torsiemomenten voor de liggers bepaald. Samen met de krachten zijn de buigslappe voegen ontworpen volgens het artikel in Cement 2002/2 . Daarbij zijn de toetsen aangepast op de regels volgens de Eurocode en de specifieke belastingen en verplaat- singen. Naast verkeer- en rembelasting, vormen de opgelegde vervor - mingen een belangrijke belasting voor het ontwerp van de voeg. Zij worden vooral veroorzaakt door de invloed van krimp, kruip en temperatuur over een lengte van 152 m en door de verschil- lende hoekverdraaiingen. Bijzondere hoekverdraaiingen worden bij deze brug veroorzaakt door de grote zettingen waarmee de steunpunten te maken hebben. De wijze van funderen resul- teerde in een ontwerp waarbij rekening gehouden moet worden met zakkingen, zoals tabel 1 laat zien. Op de gegeven zettingen geldt een tolerantie van circa 30%. De wapening in de buigslappe voeg is onder andere gecontroleerd op deze hoekverdraaiingen. De gegeven Ø12-75 voldoet daarbij net. Berekeningswijze project Bij de berekening van het project zijn de hoofdoverspanning en de grootste van de twee eindoverspanningen beschouwd. Beide dekken zijn geschematiseerd als orthotrope platen, waarna ze met behulp van een EEM-programma zijn doorgerekend. Bij het vaststellen van de parameters voor de orthotropie zijn de stijfheden en torsiestijfheden in langs- en dwarsrichting beno- digd en tevens het deel van de oppervlakte van de doorsneden die van belang zijn voor de dwarskracht. Meer lezen over het project Dit artikel is het laatste artikel in een reeks van drie over de omlegging van de N355. In het eerste artikel, verschenen in Cement 2015/5, is aandacht besteed aan projectspecifieke uitgangspunten, aanbestedings- en contractvorm. Het tweede artikel uit hetzelfde nummer ging in op het totale ontwerp van de brug. Dit derde artikel gaat in op het ontwerp van het prefab betonnen brugdek. De artikelen zijn te raadplegen op www.cementonline.nl. In Betoniek Vakblad 2015/3 is een artikel verschenen over de productie, het transport en de montage van de liggers. Dit artikel kunt u vinden op www.betoniek.nl. 10 Recordoverspanning in prefab beton 7 2015 18 uit de voorspanning, het eigengewicht van de ligger en van de voeg of druklaag, zijn de balken hierop gedimensioneerd. Met behulp van de dwarsmomenten uit de EEM-modellen is de dwarsvoorspanning of de wapening in de druklaag berekend. De reactiekrachten uit de modellen zijn gebruikt voor bepaling van de oplegblokken. In figuur 13 is ter illustratie een beeld te zien van de langsmomenten door de mobiele belasting op de hoofdoverspanning. Denkwerk Ontwerp van het brugdek met de langste geprefabriceerde betonnen liggers in de wereld in combinatie met een gecompli- ceerde onderbouw, maakte van dit project een grote uitdaging waar alle betrokken partijen succesvol op terugkijken. De brug is 15 september 2014 opengesteld voor verkeer. Menig passant zal niet beseffen hoe bijzonder de brug eigenlijk is en hoeveel denkwerk er aan ten grondslag heeft gelegen. Niet voor niets is de brug genomineerd voor de Betonprijs 2015 in de categorie Constructief ontwerp. ? ? PROJECTGEGEVENS project Brug over het Van Starkenborghkanaal in N355 opdrachtgever Provincie Groningen opdrachtnemer GMB definitief ontwerp Witteveen+Bos Raadgevende ingenieurs engineering brugliggers Ingenieursbureau Mozes en de Boer productie brugliggers Haitsma Beton B.V. oplevering najaar 2014 11 De brug over het Van Starkenborghkanaal na oplevering 12 Buigslappe voeg met wapening volgens standaarddetail RWS 13 Verloop langsmomenten t.g.v. mobiele belasting op de hoofdoverspanning 11 12 13 mx [kNm/m] 3532,65 3000,00 2700,00 2400,00 2100,00 1800,00 1500,00 1200,00900,00 600,00 300,00 -152,10 polystyreenstrook watervast triplex 2 x Ø12-75 uit het element 2 x Ø12-75 uit het element 2 x Ø12-75 lang 750 mm bij leggen 2 Ø12 levering derden over de lengte van de buigslappe voeg 375 800 50 375 2 30 160130 3 Recordoverspanning in prefab beton 7 2015