24 Brug op grillige grondopbouw Omlegging N355 (2): Fundering en onderbouw brug Brug op grillige grondopbouw 5 2015 25 De wegomlegging van de N355 bij Zuidhorn in Groningen kruist het Van Starkenborghkanaal door middel van een brug. Deze brug, die in het inpassingsplan omschreven stond als 'plank over de sloot', leidde tot een aantal ingewik- kelde vraagstukken: Hoe realiseer je een slanke overspan- ning van 68 m? Welke fundatiemethode pas je toe wanneer geen draagkrachtige zandlaag aanwezig is? De provinciale weg N355 is tussen Noordhorn en Zuidhorn omgelegd vanwege de opwaardering van het Van Starkenborgh- kanaal. Over het kanaal is een vaste brug gerealiseerd zodat de vaarweg in de toekomst geschikt is voor schepen met vier lagen containers. Daarnaast zorgt de wegomlegging voor het ontlas- ten van dorpskernen Noordhorn en Zuidhorn. De verkeershin- der voor omwonenden wordt beperkt doordat het wachtende verkeer voor de beweegbare brug in de dorpskern wordt terug- gedrongen. Uitgangspunten De vaarweg geschikt maken voor vierlaagscontainervaart bete- kent dat hij moet voldoen aan de eisen behorende bij vaarweg- klasse CEMT Va. Het benodigde profiel van vrije ruimte heeft een doorvaarthoogte van 9,1 m en een breedte van 54 m. Met een constructiehoogte van circa 1/30 van de overspanning, moet de provinciale weg het kanaal passeren op een hoogte van ongeveer 11,5 m ten opzichte van maatgevend hoog water. In het provinciaal inpassingsplan (PIP) is een eenvoudig ogende brug voorzien waarin deze beschreven staat als 'plank over de sloot' (fig. 2). 1 1 Bouw van de nieuwe brug over het Starkenborghkanaalfoto: Jan Blauw2 Visualisatie van de brug Artikelenserie Aan het project omlegging N355 wordt in drie Cement-artikelen aandacht besteed. Dit tweede artikel gaat in op de fundering en de onderbouw. Het eerste artikel (elders in dit nummer) is een inleiding; in het derde artikel, dat later verschijnt, wordt nader ingegaan op het brugdek. Ook verschijnt er een Betoniek-artikel over productie en logistiek van 68 m lange liggers. ing. Maurice Schroer MSEng Witteveen+Bos 2 Brug op grillige grondopbouw 5 2015 26 beschoeiing langs het kanaal te voorkomen, zijn horizontale verplaatsingen beperkt door de terpen op een afstand van mini- maal 40 m uit deze objecten te realiseren, en zodoende de lengte van de eindoverspanning bepaald. Constructief aanbiedingsontwerp Het basisprincipe van de brug bestaat uit twee landhoofden en twee brugpijlers tussen twee grondterpen. Dit principe was al ingegeven in het PIP. De benodigde hoofdoverspanning lag vast vanuit de vaarwegbreedte. Een oplossing met geprefabriceerde liggers voor deze hoofdoverspanning is een voor de hand liggende keuze wanneer de hinder voor scheepvaart moet worden beperkt. Om het kanaal in één keer te overspannen zijn liggers van maar liefst 68 m nodig. Bij voorgespannen constructies is het doel zo veel mogelijk de permanente belasting te compenseren met voorspanning. Bij het realiseren moet de toename van de perma- nente belasting, na het aanbrengen van de voorspanning tot een minimum worden beperkt. Omdat de liggers ook moeten worden getransporteerd, moet tijdens het ontwerp het gewicht van de liggers worden beperkt. De optimale oplossing voor de hoofdoverspanning is gevonden in het toepassen van zeven kokerliggers met een hoogte van 2,2 m, een breedte van 1,48 m en een gewicht van 260 ton (fig. 4). De zeven liggers functione- ren gezamenlijk als brugdek door het toepassen van dwarsvoor- spanning die aangebracht is door de bovenflens van de liggers. Voor de eindoverspanningen kunnen oplossingen gevonden worden met een kleinere liggerhoogte, echter bij een 'plank over de sloot- principe' is het vanuit esthetische overwegingen wense- Doordat een aanzienlijk hoogteverschil overbrugd moet worden, zijn lange toeritten naar de brug noodzakelijk. Vanwege het inpassen van deze toeritten in de beperkte ruimte is een kruisinghoek van 60° met het kanaal noodzakelijk. Het gevolg hiervan is dat de overspanning over het kanaal 68 m bedraagt. Naast de hoofdoverspanning bevinden zich twee eindoverspan- ningen (aanbruggen) van respectievelijk 40 m en 44 m over het kanaal. Onder deze aanbruggen wordt ruimte geboden aan een weg op de noordelijke oever en een onderhoudspad van het waterschap, kabels, en leidingen op de zuidelijke oever. Het toepassen van een brugdek bestaande uit geprefabriceerde liggers, resulteert in het beperken van hinder voor de omgeving en de scheepvaart. Dit was één van de EMVI-criteria voor het gunnen van het werk. Grondterp Voor een goede landschappelijke inpassing is gekozen voor twee grondterpen aan weerzijden van het kanaal. Hiervoor is gebruikgemaakt van de grond die vrijkwam uit de baggerwerk- zaamheden in het kanaal. De bagger varieerde van zeer goed zand tot vaste klei. Om de gebaggerde grond optimaal te kunnen hergebruiken is gekozen voor het gescheiden ontgraven. Het zand is gebruikt in de kern van de terp, de overige grond is gebruikt zodat steun kan worden geboden aan de steil opgezette zandkern (fig. 3). Als gevolg van de toegenomen belasting door de 11 m hoge terpen is een zetting geprognosticeerd van 1,3 m. Om beschadi- ging aan de in de oevers gelegen leidingen en de bestaande 3 potklei maaiveld klei zand en klei voorbelasting zandkern steunberm kleiige bagger verticale drainage MV -7 m MV -12 m Brug op grillige grondopbouw 5 2015 27 3 Schematische weergave van de grondterpen 4 De oplossing voor de hoofdoverspanning van de brug is gevonden in het toepassen van zeven kokerliggers, de eindoverspanningen zijn uitgevoerd met vier kokerliggers 5 In het aanbiedingsontwerp is gekozen voor twee hooggefundeerde landhoofden en twee op palen gefundeerde brugpijlers, bestaande uit in het werk gestort gewapend beton Definitieve fundering zuidelijk landhoofd Aan de zuidzijde van het kanaal werd een zeer grillig verloop geconstateerd in de grondopbouw (fig. 6). Een paalfundering zou door de dunne zandlaag ponsen en leiden tot onaccepta- bele zettingen van de steunpunten. De fundering van dit zuide- lijke landhoofd is in het definitief ontwerp daarom gewijzigd naar een soort van paalmatras (foto 7). Dit is een zeer dicht grid van 150 palen met een kleine paalafmeting waardoor de belasting als een soort speldenkussen wordt afgedragen naar de ondergrond. De fundatiesloof onder het landhoofd zorgt voor voldoende herverdeling zodat kan worden gefundeerd op een zeer dunne zandlaag. Ook zorgt het palengrid ervoor dat de belasting voldoende wordt gespreid zodat de belastingtoename in de potklei niet leidt tot onacceptabele zettingen. Voor het afdragen van de horizontale belastingen is het landhoofd op ca. 20 m afstand verankerd door middel van twee ankerschermen. Definitief ontwerp zuidelijke brugpijler Voor de zuidelijke brugpijler was het ontwerp een nog grotere uitdaging, want de belasting vanuit de brug was twee keer zo groot als bij het landhoofd (totaal 50 000 kN). De pijler wordt verder belast door eenzijdige grondaanvulling en moet bestand lijk dezelfde constructiehoogte toe te passen. Daarom is gekozen deze overspanningen uit te voeren met vier kokerliggers h.o.h. 3,3 m met een liggerhoogte van 1,9 m waarbij het rijdek uitge- voerd is in een in het werk gestorte druklaag (fig. 4). Met bovenstaande ontwerpkeuzes is een groot deel van het ontwerp van de onderbouw al vastgelegd. In het aanbiedings- ontwerp (AO) is dan ook gekozen voor twee hooggefundeerde landhoofden en twee op palen gefundeerde brugpijlers, bestaande uit in het werk gestort gewapend beton (fig. 5). De brugpijlers zijn vormgegeven als wanden van 8,5 m hoog, 2 m dik en 12,5 m lang. De benodigde ruimte voor de opleggingen is bepalend voor de dikte van de pijlerwand. In het ontwerp is rekening gehouden met horizontale belasting uit de slappe grondlagen (sqeezen). Deze belasting werkt ook op de funda- tiepalen van de landhoofden, die bovenin de grondterpen worden gerealiseerd. Om dit te ondervangen zijn in het AO onder de landhoofden stalen buispalen voorzien. Dit type paal- systeem is meer geschikt voor het opnemen van horizontale belasting dan de standaard prefab-betonpaal. Aangezien de afstand tot K&L en bestaande beschoeiing was afgestemd op de toelaatbare horizontale grondverplaatsing, met als gevolg aanzienlijk kleinere horizontale belastingen, zijn in het AO voor de brugpijlers prefab-betonpalen voorzien. Na gunning van het project zijn grondonderzoeken voorbereid. Hierdoor kon in een relatief korte ontwerpperiode een uiterst efficiënt ontwerp voor de grondterpen worden ontwikkeld. Hierbij was van belang te voldoen aan de contractueel voorge- schreven maximale restzetting van 10 cm over 30 jaar, de gebaggerde grond uit het kanaal te hergebruiken en zettings- versnellende maatregelen tot een minimum te beperken, binnen een looptijd van 400 dagen. Definitieve fundering noordelijke steunpunten Als gevolg van omgevingsinvloeden heeft het grondonderzoek ter plaatse van de brug vertraging opgelopen. Hierdoor moest gestart worden met het definitief ontwerp van de brug, terwijl de onderzoeksresultaten onvolledig waren, en er tijdens het ontwerp een grote wijziging nodig was in de fundatiemethode van de brug. Aan de noordzijde van het kanaal bleek een goede draagkrach- tige zandlaag aanwezig te zijn, zodat de oplossing met een op palen gefundeerde onderbouw zoals voorzien in het AO, moge- lijk was. Doordat onder deze zandlaag dieper gelegen (pot)klei- lagen aanwezig zijn en de steunpuntzetting moet worden beperkt, was wel een uitbreiding van de fundatiesloof van het landhoofd en brugpijler noodzakelijk. Daarentegen zijn door middel van gedetailleerde beschouwingen in Plaxis en Scia de in rekening te brengen horizontale belastingen door de grondterp geminimaliseerd en was het mogelijk het landhoofd te funderen op prefab-betonpalen in plaats van op stalen buispalen. 4 5 Brug op grillige grondopbouw 5 2015 28 opgebracht materiaal NAP Van Starkenborghkanaal kanaal zijn tegen scheepsstoten. Om hieraan te voldoen is als alterna- tief op het AO in eerste instantie gekozen voor een op staal gefundeerde brugpijler in een permanente kistdam. De kistdam zou dan dienen als bouwkuip zodat de zettingsgevoelige grond tot 7 m diep vervangen kon worden door zand. De kistdam zorgt dan voor de horizontale stabiliteit en het absorberen van scheepsstoten. De breedte van de brugpijler was voldoende om, door middel van een fundering op staal, de belasting af te dragen naar de kistdam. In overleg met de provincie is de kistdamoplossing komen te vervallen en ging de voorkeur uit naar een variant met een verdiepte fundering op staal (foto 8). Doorslaggevend in deze afweging was het beperkte kostenvoordeel van de kistdam afwegend tegen de robuustheid van de fundering op staal bij een aanvaring met een schip. Een fundering op de eerste goede zandlaag betekende een grote fundatiesloof op 7 m beneden maaiveld met daarop een pijlerwand van 13,5 m hoog. Om zettingen na oplevering tot 50 mm te beperken en stabiliteit te waarborgen was een fundatiesloof van 18 m lang, 8 m breed en 2 m dik noodzakelijk. De positie van de pijlerwand op de fundatiesloof is afgestemd op de belastingen uit de ongelijke brugdekken die evenwicht moeten maken met de eenzijdige grondaanvulling. De eenzijdige grondaanvulling aan de zuid- zijde van de pijler en het kanaal aan de noordzijde, zorgde ervoor dat permanente damplanken toegepast moeten worden ter voorkoming van glijcirkels en afschuiving. 6 7 Brug op grillige grondopbouw 5 2015 29 6 Geotechnisch lengteprofiel 7 De fundering van het zuidelijke landhoofd is uitgevoerd in een paalmatras 8 De zuidelijke brugpijler is uitgevoerd met een verdiepte fundering op staal het DO is voor de zuidelijke brugpijler een totale zetting geprognosticeerd van circa 200 mm. Uit dezelfde prognose volgde dat van de totale zetting 165 mm zal optreden voor oplevering. Uit de monitoring bleek dat de potklei aanzienlijk stijver reageerde, want slechts 35% van de geprognosticeerde zettingen zijn daadwerkelijk opgetreden. Verrassingen De brug is 15 september 2014 opengesteld voor verkeer. Dit project heeft maar weer eens bewezen dat veel verrassingen in de bodem verborgen kunnen zijn. En dat met goede samenwer - king tussen opdrachtgever, uitvoering, en ontwerp dergelijke complexe projecten tot een goed resultaat kunnen worden gebracht. ? ? PROJECTGEGEVENS project Omlegging N355 opdrachtgever Provincie Groningen architect nieuwe weg Bosch Slabbers opdrachtnemer GMB definitief ontwerp Witteveen+Bos GWW-werkzaamheden Oosterhof Holman opwaardering kanaal Martens en van Oord engineering brugliggers Mozes en de Boer productie brugliggers Haitsma Beton oplevering najaar 2014 Berekening Rekening houdend met de kruisingshoek van 60° is door middel van een plaatmodel de verticale belastingafdracht van het brugdek naar de onderbouw vastgesteld. De verdeling van langs- krachten over de steunpunten is vastgesteld door middel van een langsanalyse. Deze langsanalyse was noodzakelijk omdat ter plaatse van de steunpunten buigslappe voegen zijn toegepast. Aanvankelijk zou zowel voor beide landhoofden als voor beide brugpijlers één berekening kunnen volstaan. Echter, door de gewijzigde fundatiemethode voor de zuidelijke steunpunten is voor ieder steunpunt een aparte berekening opgesteld. Omdat voor de zuidelijke brugpijler de voorkeur voor een diepe funde- ring op staal in plaats van het kistdamprincipe pas in een laat stadium werd uitgesproken, was het noodzakelijk de overige steunpunten onafhankelijk te ontwerpen van deze zuidelijke pijler. Omgekeerd gold dat de zuidelijke brugpijler zo ontwor - pen moest worden dat het geen negatief effect zou hebben op de belastingafdracht naar de andere steunpunten, omdat deze al in een vergevorderd stadium van het ontwerp waren. Doordat de hoogte van de zuidelijke pijler verdubbelde, moesten tweede-orde-effecten uitvoerig worden beschouwd. Hierbij was van belang goed onderscheid te maken tussen korte- en langeduur belastingen, en de daarbij te hanteren stijf- heid van de fundering op staal. Uitvoering Voor de realisatie van de brug en het voldoen aan de restzet- tingseis van de terpen, moest de zandkern in de grondterpen zo snel mogelijk op hoogte zijn. De bouw van de brug is circa negen maanden later gestart, zodat de ondergrond 'in rust' zou zijn en de plaatsvastheid van de steunpunten tijdens de bouw niet werd beïnvloed. De steunpunten zijn op traditionele wijze gebouwd. Voor de bouw van de zuidelijke brugpijler was een aanzienlijke bouw- kuip nodig die door middel van een tijdelijk geleidewerk werd beschermd tegen scheepsstoten. De bouwkuip is aan de oever - zijde voorzien van tijdelijke verankering, omdat de gronddruk niet kon worden doorgestempeld naar de kanaalzijde. Een deel van de damplanken aan de kanaalzijde vervullen een perma- nente functie ter voorkoming van glijcirkels. Voor het plaatsen van de 260 ton wegende liggers is gebruik- gemaakt van twee 750 tons kranen en één 700 tons kraan. Vanwege de grote stempeldrukken van deze kranen en de slechte bodemgesteldheid was een tijdelijke fundering nodig van houten palen. Tijdens de bouw zijn de verplaatsingen van de steunpunten nauwkeurig gemonitoord in x-, y-, en z-coördinaten en deze zijn gebruikt om de zettingsprognose te kalibreren. De grootste zettingen traden op door het aanbrengen van het brugdek. In 8 Brug op grillige grondopbouw 5 2015