Dektypes fly-over vergeleken20142Dektypesfly-oververgelekenAfstudeerstudie naar het voordeligste dektype voor fly-over Sporen in Den BoschDektypes fly-over vergeleken 2014 3De fly-over is onderdeel van de oplossing voor verschillendeknelpunten in de spoorinfrastructuur rond station 's-Hertogen-bosch. Het viaduct ten noorden van het station heeft een lengtevan circa 330 m en is opgebouwd uit zeven overspanningen(acht steunpunten) met een maximale overspanningslengte vancirca 55 m (fig. 2). Achtereenvolgens kruist het de Veemarkt-weg, de Dieze en het dubbelspoor van en naar Utrecht. Dezemochten alle gedurende de bouwwerkzaamheden beperktworden gestremd.De fly-over is conform het winnende aanbiedingsontwerpuitgevoerd door Heijmans als een samengestelde prefab trog-ligger. In de afstudeerstudie is gekeken naar wat de economischvoordeligste variant was voor het type dekconstructie. Hiertoeis een uitgebreide variantenstudie uitgevoerd, waarbij ook isgekeken naar het effect op de samenwerking tussen de spoor-bovenbouw- en de brugconstuctie, ook wel langskrachtenpro-blematiek genoemd.1ing. Roland Snelders MSEng 1)Heijmans Integrale Projecten1 De nieuwe fly-over in het project Sporen inDen Bosch in aanbouw2 LangsdoorsnedeENCI Studieprijs 2013Dit is het vijfde artikel in een serie met bijdragenvan prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2013.De studie die in dit artikel wordt beschreven, kreeg de tweedeprijs in de categorie`Betongerelateerde professionele master-opleidingen'. Zie ook www.cementonline.nl/encistudieprijs.1) Roland Snelders heeft met zijn afstudeerstudie `Alternatief dektype Fly-over sporenin Den Bosch' de opleiding Betonconstructeur MSEng van de Betonverenigingafgerond. Zijn onderzoek heeft hij uitgevoerd bij zijn werkgever Heijmans IntegraleProjecten.Als onderdeel van het project Sporen in Den Bosch,is ten noorden van het station een fly-overgebouwd. Om na te gaan wat economisch de meestvoordelige dekconstructie voor het viaduct was, is ineen afstudeeronderzoek een uitgebreide varianten-studie uitgevoerd. Ook is gekeken naar het effect opde samenwerking tussen de spoorbovenbouw- ende brugconstructie, de zogenoemde langskrachten-problematiek.1F 2F 3F 4F 5F 6F 7F 8F350046 47431 99647 27748 79148 78554 87553 77021002Dektypes fly-over vergeleken20144pendelstaaf met horizontale veert.b.v. verbinding spoor-staafmet dek h.o.h. 1,0 m spoorstaafdekdilatatievoeg 100 mmbrugdekoplegging methorizontale veer t.b.v.stijfheid onderbouw3 Detail tussensteunpunt langskrachtenmodelDe berekeningen die zijn uitgevoerd, betreffen:? bepaling horizontale steunpuntreacties in de ondersteunin-gen;? toetsen van de spoorstaafspanningen;? toetsen van de horizontale verschilverplaatsing tussen debrugdelen en overgang brugdeel-aardebaan.Voor deze berekeningen is een 2D-raamwerkmodel opgesteldin het EEM-programma SCIA Engineer. Dit raamwerkbestaat uit een 430 m lange dubbele spoorstaaf (330 m opfly-over + 50 m aan weerszijden op de aardebaan) met daar-onder het brugdek. Het brugdek is in het model opgedeeld inonderling gedilateerde staven met de betreffende doorsnede-eigenschappen van het brugdek. Ter plaatse van de brugdek-opleggingen zijn de staven ondersteund met een horizontaleveer die de vervorming van het steunpunt (stijfheid onder-bouw) vertegenwoordigt. Gezien de vari?rende afmetingenvan de steunpunten en de toepassing van wel of geen langs-krachtendook, is de stijfheid van elk van de acht steunpuntenverschillend.Ook tussen de spoorstaaf en het brugdek is een verbindinggemaakt door middel van een horizontale veer. Reden is datdoor de optredende schuifkrachten er vervormingen optre-den in het ballastbed. Omdat het ballastbed bij het bereikenvan een bepaalde vervorming geen schuifkrachten meer kanOpzet langskrachtenberekeningBij een langskrachtenberekening wordt de krachtsverdelingin de constructie bepaald door de interactie tussen de spoor-bovenbouw en -onderbouw. Daarbij geldt dat het geheel vanrails, ballast, brugdek, opleggingen en fundering de horizontalebelastingen als gevolg van een remmende trein en/of tempera-tuurswisseling naar de ondergrond moet afdragen. In hetcontract stond een eis voor een voegloos spoor over de gehelelengte van de fly-over omdat compensatielassen zouden leidentot veel onderhoud. Door dit voegloze spoor wordt de vrijeverplaatsing van de brugdekken, die wel zijn gedilateerd, tegen-gewerkt.Tabel 1 Resultaten langskrachtenberekeningstatisch bepaald statisch onbepaaldpositie voegenspoorstaaf remmenovergang= 33,0 N/mm2overgang= 48,5 N/mm2spoorstaaf temperatuurovergang= 38,6 N/mm2overgang= 31,4 N/mm2verplaatsing remmenovergang= 4,0 mm overgang= 7,2 mmhorizontale krachtenonderbouw1F 1F210053 770 54 875 48 785 48 791 47 277 31 996 46 474 35002F 2F3F 3F4F 4F5F 5F6F 6F7F 7F8F 8F1200100080060040020002000150010005000as2 as275815821821415 1370137479879 924 8927311006as3 as3as4 as4as5 as5as6 as6as7 as73Dektypes fly-over vergeleken 2014 5voor de twee verschillende dilatatievoegverdelingen. Groteredeklengten (drievelders of meer) zijn niet beschouwd omdatdeze leiden tot ontoelaatbare spoorstaafspanningen.In het geval van de beschouwde statisch onbepaalde dekver-deling, moet de onderbouw stijver worden uitgevoerd opdatde optredende verplaatsingen binnen de gestelde limietwaar-den blijven. Op basis van een globale berekening is ingeschatdat voor het vergroten van de stijfheid in totaal circa 20%meer funderingspalen moeten worden toegepast onder degehele fly-over. Bij de vergelijking van de diverse dekvarian-ten en de keuze van het economisch meest voordeligedektype, zijn deze extra funderingskosten meegenomen.Opzet variantenstudieIn de variantenstudie zijn negen dekvariaten beschouwd.Het gaat om drie soorten dektypen: de TT-ligger, de trogliggeren de kokerligger. Van elk dektype zijn ook drie uitvoerings-wijzen beschouwd: in situ, prefab en staal-beton. In totaal dus3 3 = 9 varianten (tabel 2). Van deze negen varianten is zowelde statisch bepaalde als de statisch onbepaalde uitvoeringbeschouwd.Om van al deze vormen de economisch voordeligste teoverdragen en dus over het brugdek doorschuift, is aan deveer een niet-lineaire veereigenschap toegekend. In figuur 3is een detail uit het 2D-raamwerkmodel ter plaatse van eentussensteunpunt weergegeven.Onderzocht is wat de invloed is van het gekozen type dekcon-structie op de langskrachtenberekening. Hiertoe is met enkeleparameters in de berekening gevarieerd waarna vervolgens deresultaten onderling zijn vergeleken. Deze parameters zijn:? stijfheid van het dek;? afstand tussen de spoorstaaf en neutrale lijn van het dek;? posities van de dilatatievoegen en daarmee dus ook deongedilateerde lengten van het dek.Resultaten langskrachtenberekeningDe stijfheid van de dekconstructie en de ligging van despoorstaaf ten opzichte van de neutrale lijn hebben op alleresultaten van de langskrachtenberekening een verwaarloos-bare invloed. De ligging van de dilatatievoegen, oftewel eenenkelvelds dek (statisch bepaald) of een tweevelder (statischonbepaald), heeft daarentegen een grote invloed. In tabel 1 iseen vergelijking van de berekeningsresultaten gepresenteerdTabel 2 Overzicht dekvariantendektype uitvoeringswijzeIn situ voorgespannen prefab voorgespannen staal-betonTT-liggertrogliggerkokerliggerDektypes fly-over vergeleken20146voorbereidendewerkzaamheden13%baanlichaam10%landhoofden 4%tussensteunpunten19%dekconstructie23%overige31%4 Overzicht verdeling projectkosten in-situ trogliggervariant5 Inhijsen brugdek van de nieuwe fly-over6 Aanzicht spanvlak en dwarsdoorsnede dek t.p.v. veldmiddenbouwtijd met bijbehorende uitvoeringskosten vast te stellen.? Invloed van het dekontwerp (constructiehoogte) op de beno-digde hoeveelheid grondwerk, waaronder met name de lengtevan de grondterpen ter plaatse van de landhoofden. Vanwegede flauwe helling door het spoorverkeer en de benodigdegrondkerende constructies, is de invloed hiervan op de totaleprojectkosten niet te verwaarlozen. In figuur 4 de verdelingvan de projectkosten voor ??n van de varianten.Resultaten variantenstudieOp basis van de benodigde stijfheid van het dek is een eersteinschatting van de hoofdafmetingen gemaakt. De maximale verti-cale doorbuiging van het dek ten gevolge van spoorwegverkeerbedraagt = L/800 = 52000/800 = 65 mm. De vereiste dekstijf-heid bedraagt dan: EI = 1,791 1017N/mm2voor de statischbepaalde varianten en EI = 1,383 1017N/mm2voor de statischonbepaalde varianten. Met behulp van de hoofdafmetingen is heteigengewicht van de dekconstructie bepaald en vervolgens ook dehoofdkrachtswerking (moment, dwarskracht en wringing). Opbasis hiervan zijn enkele doorsneden getoetst om onder meer debenodigde hoeveelheid voorspanning te bepalen en de haalbaar-heid te toetsen. Enkele varianten, waaronder de statisch onbe-paalde uitvoeringen, bleken niet realistisch uitvoerbaar.In tabel 3 is een beknopte samenvatting van de resultaten vande variantenstudie weergegeven. Op basis van deze resultatenkan worden geconcludeerd dat indien uitsluitend naar dekosten van het dek wordt gekeken, de in situ kokerligger econo-misch het meest voordelig is. Dit komt doordat dit dektype dekunnen aanwijzen, zijn van elke de onderstaande puntenuitgewerkt. Op basis hiervan kon een globale kostenramingworden opgesteld.? Globale constructieve ontwerpberekeningen ten behoeve vanbepaling hoofdafmetingen. Bij deze berekeningen is de haal-baarheid van de constructie getoetst en is de benodigdehoeveelheid materiaal inclusief kosten berekend. Hierbij isniet alleen gekeken naar de kosten van het dek, maar ooknaar die van de onderbouw.? Omschrijving van de uitvoeringsmethodiek ten behoeve vanbepaling benodigde hulpconstructies en materieel waarvaneen kosteninschatting is gemaakt. Daarnaast is een globaleuitvoeringsplanning opgesteld om de invloed op de totaleTabel 3 Resultaten variantenstudiedektype uitvoeringswijzein situ voorgespannen prefab voorgespannen staal-beton- scheurwijdte (eis maximale betontrekspanningenmaatgevend)- inpassing voorspankabels is bepalend voor ligger-afmetingen- bouwfasering (maximale hoeveelheid voor-spanning in prefab ligger) maatgevend- stijfheid (doorbuiging maatgevend)- hoge materiaalkostenTT-ligger - dekplaat is kritisch onderdeel en vermoeiings-gevoelig- eigengewicht 218 kN/m2- kosten dek 2,7 mln- totaal 13,1 mln- externe voorspanning voor eindsituatie inligger benodigd, variant niet haalbaar- doorsnede is minst torsiestijf- stalen ligger bepalend voor sterkte- eigengewicht 125 kN/m2- kosten dek 6,9 mln- totaal 16,7 mlntrogligger - dek met grootste eigengewicht- minimale afstand BS ? o.k. dek, dus kortste lengteaardebaan- eigengewicht 232 kN/m2- kosten dek 2,9 mln- totaal 12,8 mln- i.v.m. ontbreken ondersteuningsconstructiebeste variant om te bouwen boven spoor envaarweg- eigengewicht 153 kN/m2- kosten dek 2,6 mln- totaal 11,8 mln- dek met grootste constructiehoogte- langsligger volledig in staal uitgevoerd envloer in staal-beton- eigengewicht 136 kN/m2- kosten dek 8,0 mln- totaal 17,2 mlnkokerligger - constructief beste variant: grote (wring)stijfheidmet minimaal materiaal gebruik en belasting isaanwezig bovenop ligger- benodigde externe voorspanning in kokerdoorsnede niet inpasbaar i.v.m. ruimtegebrek,variant niet haalbaar- t.b.v. stabiliteit lijf van de kokerdoorsnede(o.a. tijdens transport) binnenzijde voorzien van verstijvingsschotten- eigengewicht 189 kN/m2- eigengewicht 121 kN/m2- kosten dek 2,4 mln - kosten dek 5,5 mln- totaal 12,8 mln - totaal 15,2 mln4Dektypes fly-over vergeleken 2014 75Eerst is een optimalisatie uitgevoerd waarbij is onderzocht wateconomisch gezien de meest voordelige constructiehoogte is, inrelatie tot de benodigde hoeveelheid voorspanning. Hieruit blijktdat het optimum ligt bij een hoogte van de trogliggerbalk van2750 mm oftewel h = 1/19,5L, met toepassing van zestien voor-spankabels met elk 31 strengen ?15,7. De inpassing van de span-koppen op het liggereinde en de omhullingsbuizen in het dekhierbij, zijn kritisch en mede bepalend voor de benodigde afme-tingen van de trogliggerbalken (figuur 6). De voorspankabels zijnimmers volledig in de trogbalken gelegd aangezien deze de belas-ting in langsrichting afdragen. De trogvloer met een dikte van600 mm draagt de belasting in dwarsrichting af naar de troglig-gers.Met behulp van een EEM-plaatmodel waarbij de trogbalken alsribben zijn ingevoerd, aangevuld met diverse handberekenin-gen, is de krachtswerking in de constructie als gevolg van degrootste doorsnedestijfheid heeft bij een minimaal materiaalge-bruik. Echter vanwege het hooggelegen spoor leidt deze variantin de meeste gevallen tot veel grondwerk. Indien daarom wordtgekeken naar de totale projectkosten, is dankzij zijn laaggelegenspoor het dektype trogligger economisch interessanter.Vanwege het ontbreken van een tijdelijke ondersteuningscon-structie, de gewichtsbesparing en een snelle bouwtijd, leidt deprefab trogligger tot de economisch voordeligste variant.Nadere constructieve uitwerkingHoewel de in situ trogligger economisch niet de meest profijte-lijke dekoptie is, is in de afstudeerstudie wel de keuze gemaaktdeze variant, uitgevoerd als een tweeveldsligger, nader uit tewerken tot een DO-niveau. Dit werd als meer uitdagendervaren.6Dektypes fly-over vergeleken2014812991374y0y1 y2 y3x1x2x2x1 x3x3123611961157987501000105011001150120012501300135014000 20 40 60 80 10012841359122111831223135912841150120012501300135014000 20 40 60 80 100positie op de ligger [m]positie op de ligger [m]staalspanning[N/mm2]staalspanning[N/mm2] 7 Kabelverloop inclusief staalspanning (a), bij enkelzijdige spannen (b)en tweezijdig spannen (c)8 Trein passeert de nieuwe fly-overdiverse uitwendige belastingen bepaald. Omdat het dek wordtuitgevoerd als een statisch onbepaalde ligger, is de voorspan-belasting eveneens als een uitwendige belasting ingevoerd enis dus uitgegaan van de evenwichtsmethode. Hierbij zorgt devoorspanning voor een normaaldrukkracht in de constructieen het gekromde kabelverloop voor een opwaartse belasting.Het gekromde kabelverloop veroorzaakt echter ook wrijvings-verliezen. Daardoor neemt de voorspankracht af en is het bijeen totale deklengte van 110 m vereist dat er tweezijdig wordtafgespannen. In figuur 7 zijn het kabelverloop en de staalspan-ning bij enkelzijdig en tweezijdig spannen weergegeven.Op basis van de maatgevende snedenkrachten volgend uitbovenstaande berekening van de krachtswerking, zijn devolgende betontoetsingen uitgevoerd:? Controle constructie op duurzaamheid door middel van toet-sing toelaatbare betontrekspanningen. In de bruikbaarheids-grenstoestand treedt geen decompressie op;? Bepaling van het bezwijkmoment, hetgeen niet maatgevend isten opzichte van de eisen in de bruikbaarheidsgrenstoestand;? Toetsing trogliggerbalk op een combinatie van dwarskracht,wringing en ophanging van de vloer;? Toetsing beton op splijtkrachten als gevolg van inleiding vande geconcentreerde voorspanbelasting, waarbij met name dekopslijtwapening in de vloer tussen de liggers zwaar dient teworden uitgevoerd.87c7b7aDe voordeligste variantOp basis van de studie kan worden geconcludeerd dat econo-misch het meest voordelige dektype van een fly-over, bestemdvoor spoorwegverkeer in de categorie middellange overspan-ningen (ca. 55m), is:? Indien de fly-over kruist met diverse onderliggende infra-structuur: prefab trogliggerbrug.? Indien constructiehoogte (hoeveelheid grondwerk) geenprobleem is en de brug grotendeels met behulp van een stei-gerondersteuningsconstructie (dus vrijwel geen belemmeringdoor kruisingen met overige infrastructuur) is te bouwen: insitu kokerliggerbrug.Deze conclusie leidt niet tot geheel nieuwe inzichten wat betrefthet bouwen van een fly-over voor spoorwegverkeer. Hij toontzelfs aan dat voor het project Sporen in Den Bosch de juistekeuze is gemaakt. Daarmee zijn de resultaten van het afstudeer-werk toepasbaar bij het ontwerpen van toekomstige fly-overs.De uitgebreide variantenstudie geeft zicht op de invloed vanbepaalde ontwerpkeuzen. Door deze resultaten en de volledig-heid van de afstudeerstudie, zijn dan ook geen aanbevelingenvoor vervolgonderzoek gedaan.