thema 3P-/4P-systeem 3 2 0 12 52 thema 3P-/4P-systeem Bij de realisatie van kunstwerken bestaat doorgaans de wens de constructiehoogte te beperken en de verkeershinder te minimaliseren. Het prefab brug- systeem 3P, dat enkele jaren geleden is ontwikkeld, komt tegemoet aan die wensen. Daaraan is ook het 4P-systeem toegevoegd, waarbij onderslagbalken achterwege kunnen blijven. Extra voorspanning reduceert constructiehoogte en verkeershinder Kokerliggersysteem Het kokerliggersysteem voor de bouw van prefab brugdekken is ontwikkeld in de jaren tachtig. Het voorzag in rechthoekige profielen met een breedte van 1180 mm. De maximale hoogte was circa 1400 mm. De kokerliggers werden met een kleine voegafstand van minimaal 20 mm en maximaal 200 mm naast elkaar geplaatst. De zijvlakken van de liggers waren aan de bovenzijde voorzien van een sponning. Deze ruimte werd na plaatsing gevuld met betonspecie. Na verharding kon dwars­ voorspanning worden aangebracht en gespannen. Hiermee was een statisch bepaald brugdek gerealiseerd. Brugdekken gecon­ strueerd met kokerliggers boden zo interessante voordelen ten opzichte van de tot dan toe gangbare prefab brugsystemen, waarbij vaak nog druklagen en verbindingen in het werk moesten worden aangebracht. De kokerliggers maakten 3P-/4P-systeem3 2 0 12 53 constructies mogelijk met een slankheid van 30 (verhouding overspanning/constructiehoogte). Bovendien kon de bouwtijd aanzienlijk worden verkort, omdat geen druklagen en verbin­ dingen meer nodig waren. In de jaren negentig is het kokerliggersysteem verder door­ ontwikkeld. Het systeem kwam tegemoet aan de toenemende wens meer aandacht te besteden aan de esthetica. Er konden immers slanke brugdekken worden verkregen met toepassing van afgeschuinde randliggers. Ook de ontwikkeling van de horizontaal gebogen kokerligger sluit hierop aan. De volgende vraag was: Hoe kon worden ingespeeld op de bijkomende wens naar steeds toenemende overspanningsleng­ ten? Deze wens kwam voort uit de doelstelling viaducten zoveel mogelijk verkeershindervrij te bouwen en dus zo weinig moge­ lijk tussensteunpunten toe te passen. Deze uitdaging werd vergroot doordat regelgeving zwaardere belastingeisen ging stellen (overgang van VOSB verkeersbelastingen naar Europese belastingen, zoals vooruitlopend in de ROBK5 vastgelegd). Nieuwe ontwikkeling Om een antwoord op deze ontwikkelingen te geven, is gezocht naar een nieuw systeem. Het vertrekpunt was het bestaande SKK­kokerliggersysteem. Dit systeem kent kokerliggers met een breedte van inmiddels 1480 mm en hoogten van 700 mm tot 1600 mm. Er kon een slankheid van circa 30 à 32 mee worden gerealiseerd. Doel was deze slankheid met 15% te vergroten, ondanks de zwaardere belastingeisen. Daarnaast was er ook behoefte de toename van het liggergewicht te beperken, omdat de bestaande infrastructuur begrenzingen stelt aan de transportgewichten. Statisch onbepaald Door een dekconstructie van minstens twee overspanningen statisch onbepaald te maken ? dus door de beide dekconstruc­ ties buigstijf met elkaar te verbinden ? worden buigende momenten ten gevolge van de uitwendige belasting anders over de constructie verdeeld dan bij niet­verbonden overspannin­ gen. Het veldmoment wordt kleiner maar er treedt wel een steunpuntsmoment op. De verkleining van het veldmoment is gunstig, omdat de maatgevende doorsnede van een ligger ter plaatse van het veldmidden minder wordt belast. Dit is aanlei­ ding om de liggerhoogte te reduceren. Echter, bij een bouwwijze met prefab liggers is het effect hiervan op de constructiehoogte bij grote overspanningen beperkt, omdat een ligger eerst als statisch bepaalde ligger op twee steunpunten wordt geplaatst en pas daarna buigstijf wordt verbonden. Daar komt bij dat bij grote overspanningen het 1 ir. Kees Quartel Spanbeton BV 1 Kruising van de A59 met de nog om te leggen Zuid-Willemsvaart bij Rosmalen, 4P-systeem 3P-/4P-systeem 3 2 0 12 54 thema 3 3P-/4P-systeem3 2 0 12 55 2 2 Lage Weide in de A2, 3P-systeem 3 Montage van de SKK1500-liggers (A59 ? Zuid-Willemsvaart) Voorbeeld 1: A2, KW11 Het eerste project (in 2006) waar dit 3P ­systeem is toegepast, was een kunstwerk ten behoeve van de verbreding van de A2 tussen Holendrecht en Maarssen (KW11), dat de A2 kruist ter hoogte van Nieuwer Ter Aa. Dit kunstwerk bestaat uit drie overspanningen. Aanvankelijk voorzag het referentieontwerp in twee in situ eindoverspanningen en een middenoverspan­ ning over de (nog oude) A2 met prefab kokerliggers die door middel van tandconstructies op uitkragingen zouden dragen. In goed overleg met de aannemer, zijn adviseur en Rijkswater ­ staat is besloten het oorspronkelijk ontwerp te wijzigen naar een toepassing met SKK1300­kokerliggers volgens het 3P ­systeem, met het overspanningsschema 44,8 ­ 46,2 ­ 44,9 m. De slankheid van de grote overspanning is hierbij 35,5. Voorbeeld 2: A2, Lage Weide Spoedig (in 2007) volgde een tweede project, ook over de A2, bij Lage Weide ter hoogte van Maarssen. In het oorspronkelijk ontwerp van Rijkswaterstaat waren vier overspanningen opgenomen van circa 24 m, in situ te realise­ ren. Vanwege logistieke redenen en beperkte beschikbare bouwtijd is dit gewijzigd in twee overspanningen van circa 47,8 m. De constructiehoogte moest daardoor echter wel zo gering mogelijk zijn. Daarom heeft Rijkswaterstaat gekozen voor het 3P ­systeem. Het viaduct bestaat uit twee parallelle dekken, ieder met twee overspanningen met SKK1350­liggers. De bereikte slankheid is 35,4. 4P-systeem In 2007 is het 3P ­systeem uitgebreid naar het 4P ­systeem. Aanleiding hiertoe was de kruising van de A59 met de nog om te leggen Zuid­Willemsvaart bij Rosmalen. Maar in feite was het een antwoord op een door ontwerpers lang gekoesterde wens de esthetisch onaantrekkelijke onderslagbalken bij prefab liggerdekken te voorkomen. Het project betrof de aanleg van twee identieke parallelle bruggen met drie overspanningen, elk circa 20 m breed. De vereiste doorvaarthoogte en de al vastgelegde hoogteligging van de A59 maakten een zeer slanke constructie van de hoofdoverspanning van 53 m bij dit project noodzakelijk. De zijoverspanningen waren circa 35 m en 50 m. De constructie­ hoogte mocht niet meer dan 1,5 m bedragen. Voor het ontwerp waren de vormgevingseisen voor de A2 Rondweg Den Bosch van toepassing. Hierin was ondermeer bepaald dat er geen dragende constructiedelen, anders dan kolommen, onder het brugdek zichtbaar mochten zijn. Daarmee waren pijlerbalk­ constructies uitgesloten. In verband met de korte bouwtijd bleek een in situ bouw geen optie en is gezocht naar een prefab constructie. eigen gewicht al gauw 60% van de totale belasting vertegen­ woordigt. Het buigstijf verbinden heeft dan alleen nog een beperkende werking voor de overige 40% van de belasting. Hier komt bij dat bij uitvoering met passieve wapening een verzwakking van de buigstijve verbinding optreedt door scheurvorming aan de bovenzijde van de constructie ter plaatse van het middensteunpunt. 3P-systeem Het op traditionele wijze uitvoeren van een buigstijve verbinding (met passief betonstaal) heeft dus onvoldoende effect. De oplos­ sing is gezocht in het benutten van de goede eigenschappen van beton (hoge druksterkte) en voorspanstaal (hoge treksterkte). Bij deze oplossing wordt ? na de primaire voorspanning in de ligger bij het productieproces volgens het langebanksysteem (1P) en de dwarsvoorspanning (2P), waarmee de liggers tot één constructief brugdek worden samengesteld ? een extra, derde fase voorspan­ ning aangebracht (3P). Hierbij worden de dekken (minimaal twee) in langsrichting buigstijf verbonden door langsnaspanning. Door deze langsnaspanning een slim verloop te geven over de lengte van de dekken wordt bovendien een omhoog gerichte belasting uitgeoefend die reducerend werkt op de belasting uit eigen gewicht. Daardoor wordt extra draagvermogen voor de nuttige belasting verkregen. De langsnaspanning wordt verankerd boven de eindopleggingen en bevindt zich daartussen in de holle ruimte van de kokerliggers. We spreken daarom van uitwendige of externe voorspanning, omdat de kabels en kabelomhullingen niet met beton zijn omgeven. Spanbeton heeft deze techniek ontwikkeld samen met partner Dywidag Systems International, die ook de uitvoering van de spanwerkzaamheden op de bouwplaats verzorgt. thema 3P-/4P-systeem 3 2 0 12 56 4 4P-systeem: geen pijlerbalken (A59 ? Zuid-Willemsvaart)foto's: Ineke Key / Spanbeton BV Per brug kon na zes dagen montage worden begonnen met het vullen van de langsvoegen en de voegen in dwarsrichting ter plaatse van de liggereinden, ten behoeve van de inwendige pijlerbalk. Vervolgens werd de dwarsvoorspanning aangebracht in zowel dek als inwendige pijlerbalken. Daarna kon een begin worden gemaakt met het doorkoppelen van de onderlinge overspanningen tot één statisch onbepaalde constructie. Hier ­ voor worden kopvoegen tussen de velden onderling gevuld, waarna de langsvoorspanning kon worden aangebracht. Ten slotte zijn de omhullingen van de langsvoorspankabels geïnjec­ teerd. De montage van de liggers en het aanbrengen van de diverse voorspansystemen heeft per brug bij elkaar slechts zes weken in beslag genomen. Hierna is het brugdek op de definitieve opleg­ gingen geplaatst en kon de tijdelijke ondersteuning worden verwijderd. Tot slot Het moderne bouwen vereist de beschikbaarheid van bouw­ systemen die op eenvoudige wijze tot een eindproduct leiden. De kernwaarden daarbij zijn: snel, hindervrij bouwen en esthetische waarde. Door een slimme combinatie van hoog­ waardig beton, verschillende voorspansystemen en maximale prefabricage is hierop ingespeeld met de ontwikkeling van het 3P ­ en 4P ­systeem. ? Het realiseren van een brugdekoverspanning van 53 m met een constructiehoogte van 1,50 m is geen standaardwerk. De gevraagde slankheid van 35,3 bleek met SKK1500­liggers haal­ baar, maar er kwam een uitdaging bij: geen pijlerbalken! Omdat de liggers ter plaatse van de middensteunpunten bij het 3P­systeem kop aan kop worden geplaatst, met inachtname van een voeg van maximaal 100 mm, was de toepassing van een brede natte knoopverbinding geen optie, nog afgezien van de hiervoor benodigde bouwtijd. Daarom is wederom een oplos­ sing gezocht die wordt gekenmerkt door een maximale uitnut­ ting van hoogwaardig beton en voorspanning. Dit hoogwaardige beton is toegepast in de massieve ligger­ einden van de kokerliggers. Door de voegen in dwarsrichting tussen deze liggereinden lokaal over de gehele hoogte te vullen en voor te spannen (4P), wordt als het ware een inwen­ dige pijlerbalk verkregen die de oplegkrachten over de kolom­ men kan verdelen. Zo ontstond het 4P ­systeem, waarbij het brugdek via rubberopleggingen direct rust op ronde kolom­ men. Deze werkwijze vereist wel de inzet van tijdelijke onder ­ steuningsconstructies waarop de kokerliggers worden geplaatst. De zwaarste liggers hadden een gewicht van 140 ton en zijn per as aangevoerd. De liggers zijn met grote nauwkeurigheid en zeer geringe onderlinge afstand gemonteerd. 4