themaVersterking kokerbrug bij Heteren4201316themaDe brug over de Nederrijn bij Heteren is eenonderdeel van de Rijksweg A50 tussen knooppuntGrijsoord en knooppunt Valburg. Dit deel van desnelweg is verbreed van twee naar drie rijstroken.Door deze verbreding is de verkeersintensiteit endaarmee ook de verkeersbelasting op debrug toegenomen. Deze verhoogde belastingresulteerde in dwarskrachtproblemen bij deopleggingen. Om die reden moest de brugworden versterkt.1Oplossing gevonden incombinatie externevoorspanning enstaalconstructieIABSE-congres 2013Dit artikel is gebaseerd op de paper`Reinforcing concrete box girderbridges with external post-tensio-ning and steel'van het IABSE-congres 2013 dat in mei in Rotter-dam plaatsvond.Versterkingkokerbrugbij HeterenVersterking kokerbrug bij Heteren 42013 171, 3 Brug over de Nederrijn, A50foto's: Rijkswaterstaat2 Principe krachtswerking referentieomtwerpDe brug over de Nederrijn (foto 1 en 3) is een voorgespannenbetonnen kokerbrug, gebouwd in de periode van 1968 tot 1971.Het zijn twee identieke naast elkaar gelegen bruggen, voor elkerijrichting ??n. Elk brugdeel bestaat uit een dubbelcellige koker.In totaal heeft de brug vijftien overspanningen, waarbij dehoofdoverspanning 121 m bedraagt. Elf van de vijftien over-spanningen betreffen de aanbruggen met overspanningen van60 m. De hoofdoverspanning is, in tegenstelling tot deaanbruggen, een uitbouwbrug.Bij inspecties die voor de verbreding plaatsvonden, is terplaatse van de steunpunten van de aanbruggen significantescheurvorming geconstateerd in de rand- en middenwandenvan de kokerbrug. Deze scheuren waren met het blote oog goedzichtbaar en liepen over het gehele lijf onder een hoek van 45?.De aanwezigheid van de scheuren was te herleiden uit herbere-keningen. De dwarskrachttoets van de steunpunten werd ruim-schoots overschreden. Rijkswaterstaat heeft aangegeven datvanwege de dwarskrachtproblematiek de brug moest wordenversterkt bij de tussensteunpunten van de aanbruggen. Hetproject is als een Design&Construct-opdracht uitgeschreven.Principe krachtswerkingGezocht is naar een oplossing om de grote dwarskrachten tecompenseren. Hiertoe is onder tegen de brug aan beide zijdenvan het tussensteunpunt een verticale kracht in de kokerbrugge?ntroduceerd. Deze krachten grijpen aan op een afstand van5975 mm vanuit het hart van het steunpunt en vari?ren van2000 kN tot 7800 kN per steunpunt, zoals bleek uit devraagspecificatie van Rijkswaterstaat (fig. 2). Deze krachtenworden gerealiseerd door toepassing van externe voorspan-ning. Deze moet onder een hoek van circa 32? de kokercon-structie worden ingeleid. Hoe de verticaal en horizontaalontbonden krachten worden overgedragen op de constructie isnader uitgewerkt.Referentieontwerp RijkswaterstaatRijkswaterstaat heeft voor de versterkingsmaatregel een refe-rentieontwerp gemaakt. Het principe van dit ontwerp gaat uitvan externe voorspankabels die onder aan de brug wordenbevestigd en bij het tussensteunpunt door de kokerbrug heenlopen (fig. 4a en b). Aan de onderzijde van de brug bevindenzich betonnen consoles voor de verankering van de voorspan-ning. Deze zijn constructief verbonden met de ondervloer vande kokerbrug. In de vloer van de brug en in de dwarsdragerworden sparingen gemaakt voor de voorspankabels. Ter plaatsevan de dwarsdrager vindt door een (nader uit te werken) devi-ator geleiding en afbuiging van de voorspankabels plaats.Nadelen en risico'sHet doel was een zo effectief mogelijk ontwerp te realiseren.Criteria hierbij waren tijd, kwaliteit en kosten. Het referentie-ontwerp had een aantal nadelen en risico's. Op de consoleonder aan de brug zouden grote horizontale krachten wordenge?ntroduceerd, die moesten worden overgebracht op de brug-constructie. De aansluiting tussen de console en de vloer vande brug moest daardoor goed worden uitgevoerd. Onzekerheidzat voornamelijk in de opname van de schuifkrachten tussenhet beton van de console en het beton van de vloer van debetonnen koker. Het produceren van de betonnen consoles (insitu of geprefabriceerd) was bovendien erg complex en arbeids-intensief. Vanwege de beoogde projectplanning en -doelstellinghad het referentieontwerp niet de voorkeur. Het contract boodmogelijkheden een alternatief ontwerp te maken.ing. Jaap van Lier PMSEHeijmans Integrale Projectening. Marco PronkHeijmans Civiel Span- & Verplaatsingstechniekening. Paul van WijnenWagemaker32themaVersterking kokerbrug bij Heteren42013184a 5a4b 5b5cafbuigstraal van 600 mm van het zadel in combinatie met voor-gevormd oplegmateriaal van nylon en compacte strengen, deHDPE-omhullingsbuis niet beschadigt maar slechts toelaatbaarindrukt.StaalconstructieDe staalconstructie onder het dek (foto 8) moet de verticaal en dehorizontaal ontbonden voorspankracht opnemen. Een stalen balkin dwarsrichting van het brugdek neemt de verticale kracht op endraagt via een rubberen oplegging de kracht af naar de wandenvan de koker. Deze stalen HE-balk is een doorgaande ligger dieop drie steunpunten is opgelegd. Elk veld heeft een lengte van5175 mm. De voorspankracht grijpt aan op een afstand van1350 mm vanuit het hart van de buitenste opleggingen. Zodoendegaat circa 38% van de verticale kracht per veld naar de midden-wand van de kokerbrug en 62% naar de zijwanden.De horizontaal ontbonden voorspankracht wordt opgenomendoor een stalen frame in langsrichting. De totale lengte van diestaalconstructie is 11 950 mm. Het frame heeft een nettotus-senruimte van 2200 mm. De geometrie is dusdanig gekozen,dat er ruimte overblijft om de bestaande opleggingen te vervan-gen. Twee knikverkorters zijn aangebracht om de kniklengte teverkorten. De staalconstructie is uitgevoerd met stalen buispro-fielen. In de staalconstructie treedt een spatkracht op die doormiddel van een trekstrip wordt opgenomen. De overdracht vanOntwerp algemeen principeIn het nieuwe ontwerp (fig. 5a, b en c) zijn voorspankabelstoegepast die onder een gemiddelde hoek van 32,1? in deconstructie zijn gebracht. De horizontaal ontbonden krachtwordt opgenomen door een staalconstructie die onder aan devloer wordt opgehangen (fig. 6). De verticaal ontbonden krachtwordt via de staalconstructie en stalen oplegblokken overgedra-gen naar de wanden van de dubbelcellige kokerconstructie.Deze oplegblokken zijn gepositioneerd onder de langswandenvan de kokerbrug. In de vloer zijn onder een hoek gatengeboord, groot genoeg om de voorspankabels doorheen tevoeren. Bij de dwarsdrager zijn de voorspankabels afgebogendoor een staalconstructie, de deviator. Deze deviator draagt dereactiekracht direct af naar de bestaande opleggingen van debrugconstructie. Dit heeft als voordeel dat geen ongewenstekrachten in de vloer en dwarsdrager van de brug worden ge?n-troduceerd.VoorspankabelsEr is voorspanning zonder aanhechting toegepast met15-strengs 0,6 inch voorspankabels (oppervlakte15 ? 185 = 2775 mm2) met compacte strengen. Elke individuelestreng is omhuld met HDPE dat de streng beschermt tegencorrosie. De benodigde voorspankracht per streng tijdens hetspannen, is circa 212 kN. De keuze voor deze voorspankabelsvolgt uit een testopstelling op ware grootte van de versterkings-constructie (foto 7). Bij de dwarsdrager moeten de voorspanka-bels afbuigen door een `zadel', zonder dat de HDPE-omhullingwordt beschadigd. Voorspankabels zonder aanhechting wordenveelvuldig toegepast in de praktijk, echter niet met een derge-lijk afbuigpunt. De testopstelling heeft zich vooral gericht op deafronding van het zadel. Gevarieerd is met verschillende stralenvan het zadel, typen en dikten van het oplegmateriaal enverschillende typen voorspanstrengen. Vervolgens zijn omhul-lingsbuizen van de voorspankabels ge?nspecteerd en is gezochtnaar mogelijke beschadigingen. De conclusie was dat eenVersterking kokerbrug bij Heteren 42013 194 Visualisatie referentieontwerp: (a) in debrug en (b) vanaf de onderzijde van debrug5 Visualisatie nieuw ontwerp Heijmans:(a) in de brug, (b) vanaf de onderzijdevan de brug en (c) de versterkingscon-structie6 Principe krachtswerking nieuw ontwerp7 Testopstelling deviatorbrug niet werd beschadigd. De langsvoorspanning van de brugzelf ligt ter plaatse van de tussensteunpunten boven in dewanden van de brug. De gaten in de vloer conflicterenzodoende niet met de langsvoorspanning. In de dwarsdrager isover de volle hoogte wel voorspanning aanwezig. De ruimte omhier gaten te maken, was daarom beperkt. Het lokaliseren vande voorspanning was een vereiste.In de kokerconstructie was het gewenst om met zo licht moge-lijk materieel en materiaal te werken, aangezien alles in hetinwendige van de koker met handkracht moest wordengetransporteerd. Vandaar dat de deviatorconstructie zo lichtmogelijk is geconstrueerd.de krachten vanuit de versterkingsconstructie naar de beton-constructie wordt verzorgd door met staalplaat gewapenderubberoplegblokken.Vanwege de hoge duurzaamheidseis (40 jaar onderhoudsvrij) isde constructie gealuminiseerd. Tevens zijn de kokerprofielenluchtdicht afgesloten, waardoor de binnenzijde niet kan corro-deren.DeviatorDe deviator (foto 9) draagt de kracht ten gevolge van de krom-mingsdruk van de externe voorspanning over naar de opleg-gingen. De deviatorconstructie bestaat uit twee dubbele schuin-geplaatste kokers met afmetingen 160 ? 160 ? 6 mm met eenzadelconstructie. Alle strengen zijn naast elkaar over een stalenzadelblok met een straal van 600 mm en een booglengte van380 mm geleid. De breedte van het zadelblok is 400 mm en dedikte 25 mm. De strengen zijn onder een hoek van circa 32?afgebogen. De afbuiging is aan beide uiteinden van het zadelnog eens 3? extra doorgezet. Tussen de strengen en het zadel-blok wordt een voorgevormde nylonplaat geplaatst met eendikte van 30 mm. De stalen onderdelen van de deviatorcon-structie zijn getoetst op basis van NEN 6770.Door de dwarsdrager van de bestaande brug is een stalen stripals een trekstaaf toegepast met een doorsnede van150 ? 25 mm2. Onder de kokers is een voetplaat geplaatst.Tussen de voetplaat en de brugconstructie is de ruimte opge-vuld met krimparme stelmortel. Ten aanzien van duurzaam-heid is volstaan met het thermisch verzinken van de deviator.UitvoeringDe brug over de Nederrijn heeft een langs- en dwarsverkantingen ligt bovendien in een horizontale straal. De versterkingscon-structie moest met een zeer grote nauwkeurigheid wordenaangebracht, zodoende was een nauwkeurige maatvoeringvereist. Zowel in de vloer als in de dwarsdrager zijn gatengemaakt om de voorspankabels door de brug te laten lopen.Een aandachtspunt was dat de al aanwezige voorspanning in de67Versterking kokerbrug bij Heteren4201320108 Versterking vanaf onderzijde brug9 Versterkingsconstructie in debrug met deviator10 Aanbrengen stalen onderdelenvan de versterkingsconstructienaar de opleggingen. Echter, bij het vervangen van de opleggin-gen werd de brug tijdelijk opgelegd op vijzels die zich bevon-den direct naast de definitieve opleggingen. In deze tijdelijkesituatie grepen de krachten vanuit de deviator excentrisch aan.De bestaande brugconstructie moest hierop worden getoetst.Het was noodzakelijk vijzels te positioneren aan beide zijdenvan de te vervangen opleggingen, dus niet aan alleen aan debinnenzijde tussen de opleggingen in of uitsluitend aan debuitenzijde. Bij het ontwerp van de staalconstructie moesteveneens rekening worden gehouden met voldoende ruimtenaast de bestaande opleggingen. Deze ruimte was noodzakelijkom de benodigde vijzels te kunnen plaatsen.ConclusieHet versterken van betonnen kokerbruggen die onvoldoendeweerstand hebben tegen optredende dwarskrachten is goedmogelijk met externe voorspankabels in combinatie met eenstaalconstructie. De toegepaste oplossing voor de brug bijHeteren is een innovatief ontwerp, dat op diverse punten voor-delen bood ten opzichte van het oorspronkelijke referentieont-werp. De staalconstructie aan de onderzijde van de brug is samenge-steld uit zes afzonderlijke onderdelen. In de vloer van de brugzijn gaten gemaakt, waardoor lieren de afzonderlijke stalenonderdelen naar boven konden hijsen (foto 10). De middelstekokerbalken werden rondom de bestaande opleggingen op detussensteunpunten gemonteerd en bevestigd aan de knikver-korters. Vervolgens zijn de buitenste staalonderdelen bevestigdaan de middelste kokerbalken door een boutverbinding. Alvooraf waren de gewapende rubberopleggingen aan de staal-constructie bevestigd.Een aandachtspunt tijdens uitvoering was dat de brug nietalleen moest worden versterkt, maar dat eveneens de bestaandeopleggingen op de tussensteunpunten moesten worden vervan-gen. De planning liet het niet toe om eerst alle opleggingen tevervangen en vervolgens de versterkingen uit te voeren. Deactiviteiten moesten daardoor parallel aan elkaar worden uitge-voerd. Daardoor kwam het voor dat opleggingen moestenworden vervangen terwijl de versterkingsconstructie al wasaangebracht en andersom.Vanuit de deviator worden lokaal zeer grote krachten ge?ntro-duceerd die in de eindsituatie hun belasting direct afdragen LitEratuur1 Lier, J.A.P., van, Pronk, M., Paper IABSE2013: Reinforcingconcrete box girder bridges with externalpost-tensioning and steel.thema89