Wandelende opleggingen Waarom los geplaatste rubberopleggingen bij betonnen bruggen en viaducten niet altijd voldoen 1 Blik onder een betonnen brug, de rij opleggingen is zichtbaar 1 24? CEMENT 1 2020 Het toepassen van met staalpla- ten gewapende rubberopleggin - gen zonder mechanische fixatie, ofwel type B uit NEN-EN1337-3, is populair, zowel in het ontwerp als in de uitvoering. Een dergelijke oplegging heeft dan ook diverse voordelen. Plaatsing is eenvoudig en het raakvlakken - beheer blijft beperkt, waarmee het een eco- nomische oplossing is. Er bestaat echter een risico op 'wegwandelen'. Dit kan leiden tot het wegvallen van een steunpunt en daar- mee tot risico's voor de verkeersveiligheid. Standaardoplossing Bij het ontwerpen van opleggingen moet met een aantal aspecten rekening worden gehouden. Eisen voor opleggingen zijn opgenomen in de NEN-EN1337-reeks [1]. Deel 3 van [1] betreft de productnorm voor opleggingen van elastomeren, waar het in dit artikel over gaat. Daarnaast zijn er in diverse RTD's (Rijkswaterstaat Technisch Document) specifieke eisen vastgelegd die door de opdrachtgever van toepassing kunnen worden verklaard. Dit gebeurt overigens vaak. Het gaat om RTD1010:2017 'Standaarddetails voor betonnen bruggen' [3], RTD1012:2017 'Eisen voor brugopleggin - gen' [4] en RTD1017-2 'Handleiding CRIAM Rubber Oplegblokken' [5]. Een van de eisen is dat er voldoende ruimte nodig is om bij de oplegging te komen ten behoeve van reparatie of vervanging. Daarvoor is een verticale tussenruimte nodig tussen onderzijde brug en bovenkant onder- steuning. De maat is voorgeschreven in [3] en bedraagt 250 mm. De oplegging wordt daarom op een sokkel geplaatst (foto 2). Bij het positioneren van de oplegging op de sokkel wordt vrijwel altijd gebruikgemaakt van een dunne zuivere epoxy-uitvullaag (tus- sen de oplegging en de sokkel) om de opleg - ging waterpas te stellen (max. 3 mrad t.o.v. het horizontale vlak conform [4]). Bij grotere opleggingen wordt ook wel gebruikgemaakt van een vlakke staalplaat om daarop de op- legging nauwkeurig te kunnen positioneren. Tussen de oplegging en de onderzijde van het kunstwerk treedt altijd een hellings- verschil op door verkanting en zeeg. Aan de bovenzijde van de oplegging worden daarom keggen toegepast, ofwel wigvormige uitvul - stukken. De keg bestaat uit een gevulde epoxylaag. Het is, conform [4], niet toege- staan een cementgebonden keg te maken. Voor het maken van de keg als extra tussen - laag bestaan globaal twee methoden: prefab of in situ. In het geval van een prefab keg wordt de oplegging met keg aangeleverd door de leverancier. Bij in-situbruggen wordt het beton direct op de rubberoplegging gestort waar- door geen extra tussenlaag nodig is, de bovenbouw sluit dan direct aan op de opleg - ging en er is geen sprake van een keg. IR. EVERT VAN VLIET Hoofd techniek Consolis Spanbeton 1) DR.ING. HAN LEENDERTZ Technisch adviseur JSL Consulting auteurs Bij het bouwen van betonnen bruggen en viaducten wordt veel gebruikgemaakt van rubberopleggingen zonder fixatie. Vanuit diverse kanten komen er signalen dat er duidelijke grenzen nodig zijn om de 'plaatsvastheid' van deze opleggingen te verzekeren. Anders gezegd: om wegwandelen te voorkomen. Bij het ontwerpen van deze rubberopleggingen blijkt dat de eisen uit de regelgeving niet altijd toereikend zijn. Ook niet nu de betreffende productnorm wordt aangepast. 1) Evert van Vliet werkt sinds 1 februari 2020 bij BAM Infraconsult CEMENT 1 2020 ?25 Constructieve schematisering Vanuit de analyse van het oplegsysteem volgt de krachtswerking per oplegging. In figuur 3 is een oplegging schematisch weer- gegeven. Primair treedt de oplegreactie N z op, deze kracht is qua grootte meestal het gemakkelijkst in te schatten. Daarnaast treedt een horizontale kracht V xy op door opgelegde vervormingen (krimp, kruip, tem - peratuur, zetting) en opgelegde belastingen (aanzetten, remmen, centrifugaalbelasting). Doordat de oplegging niet in de neutrale lijn van het kunstwerk is geplaatst, treden gelijktijdig met rotaties (bijvoorbeeld door rustende en verkeersbelastingen) ook klei - 2 Detailfoto van een oplegging met keg op een sokkel Er wordt onderscheid gemaakt tussen een oplegsysteem en een oplegging. Oplegsysteem Het oplegsysteem is het geheel van alle opleggingen van de constructie. Het moet als systeem worden beschouwd omdat alle opleggingen met elkaar samenwerken. Wanneer een wijziging wordt aangebracht in een oplegging op steunpunt X, kan dit direct gevolgen hebben voor het functione- ren van een oplegging op steunpunt Y. Bij het ontwerp van een constructie kan worden gekozen tussen verschillende typen oplegsystemen. Al deze typen hebben met OPLEGSYSTEEM VERSUS OPLEGGING ne schuifkrachten op ter hoogte van de bovenzijde van de oplegging. De rotatie ? door allerlei belastingen om punt A, is weg - gelaten uit de figuur. De figuur is vooral bedoeld om het doorleiden van N z en V xy te illustreren. In de figuur is ook te zien dat er drie belangrijke aansluitvlakken kunnen worden onderscheiden bij het doorvoeren van de optredende set van krachten N z en V xy: 1?aansluiting oplegging-sokkel; 2?aansluiting oplegging-keg; 3?aansluiting keg-beton (dit is niet het geval als de keg monoliet aan het brugdek is verbonden). elkaar gemeen dat deze de bovenbouw in verticale zin ondersteunen. Het verschil zit hem in de wijze waarop horizontale krachten naar de onderbouw worden overgedragen en de wijze waarop ruimte wordt gegeven aan vervormingen. Het oplegsysteem moet zo zijn ingericht dat horizontale belastingen vanuit de bovenbouw conform het ontwerp van de hoofddraagconstructie naar de onderbouw worden overgedragen. Daar- naast moeten relatieve vervormingen tussen de onder- en bovenbouw ongehinderd kunnen optreden, waarbij de vervormings- weerstand van de opleggingen niet tot over- belasting van de steunpunten mag leiden. Oplegging Er zijn verschillende typen opleggingen. Elk type heeft zijn eigen specifieke eigenschappen die de oplegging wel of niet geschikt maakt om toe te passen in een bepaald oplegsysteem. Voor alle typen opleggingen zijn in de verschillende delen van NEN-EN1337 belangrijke aspecten opgenomen. Daarnaast zijn er door Rijkswaterstaat aanvullende eisen opgenomen in de RTD1012. Meer over opleggingen staat in het 'Hand- boek Opleggingen' [6]. Bij het ontwerpen van opleggingen is goede communicatie tussen ontwerp en uitvoering nodig 2 26? CEMENT 1 2020 In de horizontale aansluitvlakken (1) en (2) treedt kracht V xy op. In aansluitvlak (3) ont- staat een extra kracht ten gevolge van de helling ?. Dit leidt tot een kracht in dit aan - sluitvlak van: V xy + ? ? N z. Communicatie nodig voor goede oplossing Bij het ontwerpen van opleggingen is goede communicatie tussen ontwerp en uitvoering nodig om tot een goed werkende oplegging te komen. Hier ligt een spanningsveld wat in de praktijk vaak merkbaar is. Ontwerpers proberen het standaard - detail zo vaak mogelijk met een type B-op- legging toe te passen. Dit om ingewikkelde opleggingen of oplegsystemen te voorko- men. Zij hebben baat bij een zo hoog moge- lijke wrijvingscoëfficiënt om vrijheid te hebben bij het ontwerp. Deze vrijheid wordt maximaal verkregen bij de wrijvingsclassifi - catie 'rubber tegen beton'. Daar wordt daar- om vaak voor gekozen. Deze praktijk is al onderkend in [5], het citaat is in het kader 'Kennis uit de inspectienorm' weergegeven. Deze inspectienorm zal echter minder bekend zijn bij ontwerpers omdat het voor beheerders is geschreven. Uitvoering heeft te maken met zeer strenge eisen qua plaatsing van de opleggin - gen. Eigenlijk zou een oplegblok direct op een vlakke, horizontale en voldoende ruwe sokkel gepositioneerd moeten worden. Dit is echter onhaalbaar met normale bouwtole- ranties. Hierdoor wordt vrijwel standaard voor dunne zuivere epoxy-uitvullagen geko- zen. Het toepassen van deze laag impliceert een lagere wrijvingscoëfficiënt. Dit betreft de classificatie rubber tegen epoxy. Beheerders willen faalkosten van de constructie zo veel mogelijk beperken maar hebben daarbij te maken met wisselende aandacht voor het oplegdetail bij ontwerp en uitvoering. Het hangt af van het projectteam (bouwers en controlerende instanties) welke wrijvingscoëfficiënt in het ontwerp wordt gebruikt en of dit daadwerkelijk wordt gere- aliseerd in de uitvoering. Aanpassingen aan productnorm EN1337-3 Als extra aanjager voor het eerdergenoemde spanningsveld kwamen bij het reviseren van productnorm EN1337-3 zaken aan het licht. De formules voor de wrijvingscoëfficiënt zijn opnieuw afgeleid uit de oude ORE-onderzoe- ken (onderzoeken die dienden als basis voor de vigerende NEN-EN1337-3), met als drijf - veer de ontwerpers meer ruimte te geven. Tijdens de studie werd zichtbaar dat er in het verleden interpretatiefouten zijn ge- maakt. Ook werd duidelijk dat er uit die eer- dere ORE-onderzoeken niets bekend is over epoxy-aansluit vlakken. Waarom dit in de vi - gerende productnorm is inbegrepen, is dus niet traceerbaar. Dit heeft geleid tot nieuwe formules die afwijken van de formules in de vigerende productnorm, waarin epoxy- KENNIS UIT DE INSPECTIENORM Het is van groot belang dat de diverse betrokken partijen goed samenwerken om problemen als een verschoven oplegging te voorkomen. Dit is onderkend in CRIAM (RTD 1017-2 [5]). Daarin is de volgende tekst opgenomen: Onvoldoende wrijvingsweerstand kan ook ontstaan als gevolg van uitvoerings- fouten, bijvoorbeeld door vuile en vette bovenzijde van oplegblokken (in bijzon- der bij in situ gestorte brugdekken), slecht uitgevoerde ondersabelingen (stoffig oppervlak als gevolg van slechte nabehandeling of bleeding gietmortel, te kleine korrel in het materiaal, te gladde afwerking), niet verwijderde curing compound of toepassing van staalplaten in de bovensabeling. Vaak wordt door ontwerpers gerekend met de maximale wrijvingswaarde uit de norm. Deze waarde is bij een onjuiste uitvoe- ringswijze aan de onveilige kant. 3 Schematisering van een standaardoplegdetail 4 Voorbeelden van classificaties volgens RTD 1017-2 [5] 3 4 CEMENT 1 2020 ?27 aansluitvlakken niet meer zijn inbegrepen.Wat ook aan het licht kwam, is het ge- ringe inzicht in de mechanismen in het aan - sluitvlak die tot wegwandelen kunnen leiden. De wrijvingscoëfficiënt is waarschijnlijk niet de enige belangrijke factor. Gedacht wordt aan de invloed van kleine rotatiewisselingen door verkeersbelastingen, de invloed van het reactiemoment uit rotatie of de afhankelijk - heid van de uitnutting van de rotatielimiet. Verder krijgt de glijdingsmodulus G (een basisparameter van het materiaal rub- ber) in de ontwerp-productnorm een ver- schillende waarde voor natuurrubber (NR) en chloropreenrubber (CR). Deze glijdings- modulus wordt ook temperatuurafhanke- lijk. Hierdoor zullen de afschuifkrachten V xy ten gevolge van opgelegde vervormingen toenemen. Dit zal mogelijk tot gevolg hebben dat er een meer gedetailleerde rekenmetho- de moet worden toegepast; deze methode is nog niet uitgekristalliseerd. Strikt genomen behoren aansluitvlak - ken met de omgeving (zoals sokkel of keg) niet tot het mandaat van de normcommis- sie. In de normcommissie is daarom vooral veel aandacht voor de oplegging zelf en min - der voor het aansluitvlak, de norm is name- lijk een productnorm. Bij discussies over de aansluitvlakken is merkbaar dat wegwande- 5 5 Een ramp voor de beheerder, een verschoven oplegging len van opleggingen minder aandacht heeft. Hierdoor zal de ontwerp-productnorm niet afdoende zijn voor een goede verbinding tussen ontwerp en uitvoering. Verschil vigerende en ontwerp-productnorm De ontwerp-productnorm prEN1337-3:2018 wijkt ? mede op basis van de oude ORE-re- sultaten ? in een aantal opzichten af van de vigerende productnorm NEN-EN1337-3:2015. De wrijvingscoëfficiënten zijn weergegeven in figuur 6. Belangrijk is het (ongewijzigde) in - zicht dat bij een toenemende drukspanning de beschikbare wrijvingscoëfficiënt zal afne- men. Bij het rekenen aan het aansluitvlak van rubber tegen een aansluitvlak, is er dus geen sprake van een constante wrijvingscoëfficiënt. De oplegspanning moet (in de ont- werp-productnorm én in de vigerende pro- ductnorm) worden gebaseerd op de opper- vlakte van de staalplaat van de oplegging met behulp van de volgende formule: Tussen de vigerende en ontwerp-product- norm zijn de volgende verschillen zichtbaar: De minimale contactspanning ? m,min wordt 2 MPa in plaats van de huidige 3 MPa. Hier- bij is belastingscombinatie wel aangescherpt. De in rekening te brengen wrijvingscoëffi - ciënt voor rubber tegen beton wordt fors lager. De capaciteit van rubber tegen staal blijft nagenoeg hetzelfde. Overigens is de formule voor de wrijvings- coëfficiënt van rubber tegen staal fout over- genomen uit het voorstel van de Nederlandse normcommissie, dit is bekend in de interna - tionale normcommissie. In figuur 6 is de juis- te formule weergegeven die uiteindelijk in de nieuwe productnorm zal komen te staan. Met de huidige kennis wordt het volgende geadviseerd (dit wordt al zo gedaan door deskundige partijen): Rekenen met een lage wrijvingscoëfficiënt (K f = 0,2) uit de vigerende productnorm voor het toetsen van het aansluitvlak tussen het rubber en de sokkel (1) en tussen het rubber en de keg (2). Moeilijke uitvoerings­ engineering van een oplegging is niet zelden het gevolg van een gebrekkig gekozen opleg­ systeem in een vroeg stadium 28? CEMENT 1 2020 Beschouwen aansluitvlak tussen de keg en de onderzijde brug (3). Dit zal regelmatig leiden tot het moeten toepassen van dwarsblokkeringen, langs- blokkeringen of 'op aansluitvlakken ge- fixeerde' opleggingen type C. Uitvoering met uitvullagen van zuivere epoxy is toelaatbaar vanwege genoemde ont- werpmethode met een juiste bijbehorende wrijvingscoëfficiënt. Vooruitblik kennisontwikkeling De zoektocht naar oorzaken van 'wandelen van opleggingen' in ontwerp en uitvoering, en de ontwikkelingen in de ontwerp-pro- ductnorm zijn al jaren onderwerp van gesprek binnen de Nederlandse normcom - missie opleggingen en het Platform Voegovergangen en Opleggingen (PVO). Na verloop van tijd bleek dat er behoefte was aan aanvulling op de ontwerp-productnorm op de volgende punten: a?Inzicht in de wrijvingscoëfficiënt per meetbare oppervlakteruwheid. Hiermee wordt een directe koppeling verkregen tus- sen ontwerp en uitvoering. b?Inzicht in wat er gebeurt in het aansluit- vlak bij het doorvoeren van een oplegreactie, een horizontaalkracht en een rotatie. Hoe stelt zich in deze gevallen een evenwicht in? c?Duidelijke regelgeving en handhaving hiervan. d?Meer kennis van hechting van epoxy op opleggingen en de invloed hiervan op de wrijvingscoëfficiënt. Om inzicht te verkrijgen in punt a) en b) is een groot onderzoek opgetuigd bij het PVO. Primair betreft dit experimenteel onder- zoek voor een grote serie verschillende aan - sluitvlakken, wat wordt uitgevoerd bij KIWA. Daarnaast wordt met behulp van een eindi - ge-elementenmodel (EEM) het gedrag van rubber tegen een aansluitvlak bestudeerd door Arcadis. De resultaten hiervan zullen naar verwachting halverwege 2020 worden gepresenteerd. Houd daarvoor de website van het PVO in de gaten. De herziening van NEN-EN1337 is in de slotfase, de resultaten van het PVO-on - derzoek zullen daar niet meer in meegeno- men kunnen worden. In de eerste plaats wordt door het PVO inge- zet op het bijwerken van de RTD1012 naar de nieuwste inzichten om de opgedane kennis beschikbaar te maken, daarmee wordt ook gewerkt aan punt c). Dit moet vervolgens ook verder worden gebracht door middel van correctiebladen op NEN-EN1337. Bewustwording Er is bij ontwerpers meer bewustwording nodig omtrent de mogelijke problemen, zeker op het moment dat oplegsystemen nog gemakkelijk kunnen worden aangepast. Als hier in een laat stadium aan wordt gewij- zigd, leidt dit zeer vaak tot tijdrovende exer- cities. Moeilijke uitvoeringsengineering van een oplegging is niet zelden het gevolg van een gebrekkig gekozen oplegsysteem in een vroeg stadium. Constructeurs moeten zich ook meer bewust worden van het feit dat het effectief opnemen van horizontale krachten door wrijving sterk afhangt van goede uitvoering op de bouwplaats. In de toekomst zou de constructeur op basis van goede richtlijnen in overleg met uitvoering een haalbare ruw - heid moeten kunnen vaststellen en op basis daarvan de plaatsvastheid van de oplegging moeten toetsen. Tot slot moeten ook opdrachtgevers zich bewust worden dat besparen op opleg - gingen niet verstandig is. Dit zal leiden tot complexe berekeningen om er nog maar net uit te komen met een los geplaatste oplegging type B. Om risico's te beperken, is goed ad - vies over een duurzaam oplegsysteem met passende opleggingen dus erg belangrijk. LITERATUUR 1? NEN-EN1337 (vigerend) ? Opleggingen voor bouwkundige en civieltechnische toepassingen. 2? prEN1337:2018 ? Structural bearings. 3? RTD1010:2017 ? Standaarddetails voor betonnen bruggen. 4? RTD1012:2017 ? Eisen voor brugopleggingen. 5? RTD1017-2:2016 ? Handleiding CRIAM Rubber Oplegblokken en richtlijnen voor reparatie. 6? Handboek Opleggingen: www.pveno.nl/ handboek-opleggingen. OVERIGE BRONNEN Booij, N. (2017) Handboek Inspectie Opleggingen Conform CUR-Aanbeveling 117. SBRCURnet. Schreiber, W. (2019) Nieuwe regelgeving moet kwaliteit voegovergangen en opleggingen verhogen. OTAR nr. 1 pag. 22-25. Webredactie (2 april 2019) Start onderzoek wandelende opleggingen. www.pveno.nl. Webredactie (16 november 2018) Waarom begrijpen we wandelende opleggingen nog steeds niet? www.pveno.nl. Webredactie (29 januari 2018) Presentaties bijeenkomst Onderzoek 'wandelende' oplegblokken beschikbaar. www.pveno.nl. 6 Visualisatie van wrijvingscoëfficiënt in vigerende en ontwerp-productnorm NEN-EN1337-3 6 CEMENT 1 2020 ?29