44 Bruggen voor het leven 1 BASIS-brug in zeer-hogesterktebeton toegepast in Hoek van Holland Verspreid over het land zijn duizenden (fiets- en voetgangers) bruggen aan vervanging toe. Dit betekent dat er enorme investeringen opdoemen voor gemeenten en waterschappen. Opdrachtgevers kijken steeds vaker niet alleen naar de stichtingskosten maar ook naar de onderhoudskosten over de gehele levensduur: Life Cycle Costs (LCC) of Total Costs of Ownership (TCO). Dit geldt niet alleen bij vervanging maar ook bij de aanleg van nieuwe bruggen. De composietbeton-BASIS-brug Een goede oplossing voor fiets- en voetgangersbruggen met een lange levensduur is de zogenoemde BASIS-brug. De term basis sluit aan op het ontwerp, dat ingetogen is: het is een Bij vervanging of nieuwbouw van bruggen, vooral die voor fietsers en voetgangers, wordt steeds vaker gekeken naar toepassing van beton met hogere sterktes. Romein Beton heeft in samenwerking met ABT een standaard- brugconcept ontwikkeld, de BASIS-brug met zeer-hoge - sterktebeton. Een van de eerste resultaten staat in Hoek van Holland. Aan de bouw ging een uitgebreide analyse met DIANA vooraf. Bruggen voor het leven 6 2016 45 vlakke prefabbetonplaatbrug. De brug wordt uitgevoerd in composietbeton, een hybride beton dat vezelversterkt zeer- hogesterktebeton (ZHSB) combineert met traditionele wapening. Hierdoor ontstaat een materiaal met een zeer hoge druk- en treksterkte waarmee slank en licht kan worden ontworpen. Dat levert een besparing op van bijna 50% op materiaalgebruik ten opzichte van traditioneel beton. Door het geringere gewicht van de brug kan ook de fundatie lichter worden uitgevoerd en kan de brug worden vervoerd met lichtere en daardoor zuini- gere transportmiddelen. Het beton heeft een zeer dichte pakking waardoor het vrijwel ondoordringbaar is voor vocht en vuil. Het is bovendien goed bestand tegen vorst-dooi cycli. Project Hoek van Holland BASIS-bruggen zijn onder meer toegepast in Hoek van Holland, in opdracht van gemeente Rotterdam. Het gaat om de vervanging van twee bestaande houten parkbruggen in het Paulus van Asperenpad en Rokus de Grootpad. Deze bruggen verkeerden in slechte staat en waren dringend aan vervanging toe. De wens was de bruggen te vervangen door een duurza- mere en lichte variant, die weinig onderhoud vergt, een lange ontwerplevensduur heeft en in zeer korte tijd kan worden gerealiseerd. Om samenwerking met de markt te stimuleren, is het project in de vorm van een geïntegreerd contract (Design&Construct) aanbesteed. Het ingenieursbureau van de gemeenten Rotterdam heeft een sturende en toetsende rol vervuld in het ontwerp en uitvoeringstraject. In het programma van eisen zijn alle eisen en randvoorwaar- den opgenomen waaraan de bruggen moeten voldoen. De eisen hebben betrekking op aspecten zoals comfort, veiligheid en functionaliteit. Denk bijvoorbeeld aan eisen aan de maximale helling, een leuning, afwatering enzovoort. De meest belangrijke eisen: - geschikt voor zowel voetgangers als fietsers; - PVR van 3,0 m x 0,9 m; - geschikt voor een onbedoeld voertuig (2 assen van 80 en 40 kN); - zo groot mogelijke slankheid; - stalen leuning type Rotterdamse vormgeving; - verbinding stalen leuning ? dek met dookconstructie. Ontwerp De eerder genoemde BASIS-brug is naar voren geschoven als oplossing voor de bruggen in Hoek van Holland. Deze nieuwe bruggen zijn eendelige plaatbruggen. De brug in het Paulus van Asperenpad heeft een lengte van 13,53 m en een breedte van 2,50 m. De constructiehoogte van de rib bedraagt 350 mm. De brug is aan beide zijden opgelegd op chloropreen oplegstroken (foto 2). Het brugdek aan het Rokus de Grootpad heeft een lengte van 11,22 m en een breedte van 2,50 m. De dikte van de rib bedraagt slechts 300 mm. Het brugdek is aan één zijde opge- legd op chloropreen oplegstroken en aan de andere zijde met twaalf stekankers momentvast verbonden aan de fundatie. Beide bruggen zijn voorzien van een antracietkleurige slijtlaag en afgewerkt met een gepoedercoate leuning in Rotterdamse stijl. Inmiddels zijn er ook composietbeton-BASIS-bruggen gerealiseerd in Drachten en Deventer. ing. Michael Menting, ir. Kris Riemens ABT bc. Paul de Vries Romein Beton ing. Mustapha Attahiri MSEng. Ingenieursbureau gemeente Rotterdam 1 BASIS-brug met zeer-hogesterktebeton 2 Chloropreen oplegstroken Gefundeerde keuzes Bruggen zijn er in verschillende soorten en maten. Elk type brug heeft zijn eigen voordelen. Zo is een hout- en staalcombinatie erg goedkoop in de aanschaf en is een composiet van verschillende kunststoffen erg licht van gewicht. ZHSB heeft ook een aantal grote voordelen. De dichte structuur van het beton zorgt niet alleen voor veel sterkte en slankheid, maar ook dat het oppervlak nauwelijks wordt aangetast door het buitenmilieu. Deze eigenschap maakt dat de brug onderhoudsvrij wordt. Berekeningen tonen aan dat het ZHSB een levensduur heeft van minimaal 100 jaar. De meerkosten van het materiaal vallen door optimalisatie van het mengsel en het achterwege blijven van dure vulstoffen mee. De BASIS-brug is daardoor zeer aantrekkelijk geprijsd. Vanwege de besparing op onderhoud zijn de Total Costs of Ownership laag. Berekeningen tonen aan dat de kosten/m 2*jaar halveren door het gebruik van ZHSB-bruggen als dit wordt vergeleken met andere typen bruggen. 2 Bruggen voor het leven 6 2016 46 20 1000,4 0,5 0,60,7 0,8 carbonatatiediepte (mm) watercementfactor 20 10 0 B 17,5 B 22,5 B 30 B 37,5 B 45 carbonatatiediepte (mm) betonkwaliteit carbonatatiediepte expositietijd ( j) hc A hc hc pc pc pc A hc B pc B pc C 3 Invloed van water-cementfactor, cementsoort en -klasse op de carbonatatiediepte (na zeven jaar expositie buiten, beschut) [5]. De ZHSB-varianten hebben een wcf kleiner dan 0,4. De carbonatatiediepte is dus verwaarloosbaar klein. 4 Verschillend gedrag van vezelbeton onder verschillende manieren van belasten. De rode pijlen geven het gedrag van het toegepaste materiaal weer (figuur 5.6-1 uit MC2010) groeien dan zeer snel en vormen een macroscheur die tot bezwijken leidt. Het proces van het aan elkaar groeien van de microscheurvorming kan worden tegengegaan door toevoeging van staalvezels aan het beton. Dankzij deze vezels kan de rek nadat er scheurvorming optreedt, bijvoorbeeld bij het drukken van kubussen, nog steeds toenemen. Hierbij is er een grote drukspanning in de verschillende betondelen en is er sprake van een trekspanning in de vezels haaks op deze richting. Als de trekspanning in de vezels te groot wordt, zullen deze beginnen te slippen. Bij een drukproef zal een betonkubus met een te lage vezeldosering dan ook met relatief veel geweld uit elkaar spatten. Een kubus die is voorzien van voldoende vezels zal niet uit elkaar spatten in een op druk gestuurde bank. Om de bruggen te kunnen berekenen, is gebruikgemaakt van de fib Model Code 2010 [1] (hierna MC2010). Deze code normali- seert en omschrijft materiaalgedrag t.m. sterkteklasse C120. Treksterkte Beton heeft een treksterkte. Normaliter wordt deze in de voorschriften in de ULS nauwelijks gehonoreerd. Dat er conservatief wordt omgegaan met de treksterkte van beton is begrijpelijk. De taaiheid van het materiaal onder trek is immers gering, vooral bij ZHSB of UHSB. Echter, door de toevoeging van staalvezels zal het beton op trek ook ductiel gedrag gaan vertonen. De ductiliteit van een vezelversterkte betonconstruc- tie hangt echter sterk af van hoe de constructie wordt belast. Het principe is toegelicht in de MC2010 en in fig. 4 verduide- lijkt. Hierin is aangegeven dat het toegepaste materiaal in buigproeven hardening gedrag vertoont (toetsing conform NEN-EN 14651 [4]). De uniaxiale proeven zijn beperkt Materiaaleigenschappen De keuze voor de BASIS-brug is vooral ingegeven door de specifieke materiaaleigenschappen van ZHSB die zeer geschikt waren voor toepassing in deze twee bruggen. Naast hoge stijfheid, druksterkte en buigtreksterkte was de dichtheid een belangrijk aspect. Deze wordt onder meer gerealiseerd door een extreem lage water-bindmiddelfactor van 0,28. Het resul- taat is een langdurige carbonatiediepte, in de ordegrootte van enkele mm (fig. 3). Verder is de buitenkant van het materiaal weinig poreus. De ervaring leert dat bij ZHSB weinig materiaal door verwering afslijt. Duurzaamheid Duurzaamheid (sustainability) is een steeds belangrijker onder - deel in de materiaalkeuze. Voor het mengsel is om die reden gebruikgemaakt van hoogovencement (CEM III) in plaats van portlandcement (CEM I). Dit resulteert in een lagere milieu- impact, omdat bij de productie van hoogovencement minder CO 2 vrijkomt. Het heeft als 'beperking' dat de sterkte maximaal 150 MPa bedraagt, maar dat is ruim voldoende om te komen tot de gewenste slanke oplossingen. Druksterkte De gemiddelde kubusdruksterkte van het materiaal bedraagt circa 130~150 MPa. Genormaliseerd wordt een sterkteklasse behaald van C110. Deze druksterkte is niet opgenomen in NEN-EN 1992 [3] (Eurocode 2). Bij hogere sterkten ontstaan problemen met ductiliteit. Hierbij wordt de betonmatrix onvol- doende taai waardoor bij de bezwijkdrukspanning het beton bros bezwijkt. Dit treedt op omdat bij die spanning gevormde microscheuren niet meer stabiel zijn. De microscheurtjes 4 3 Uniaxiaal (geen herverdeling mogelijk; breuk zoekt zwakste doorsnede) Buiging (herverdeling in door - snede, verschuiven neutrale as) Buiging puntvormig ondersteund of belast (herverdeling doorsnede en breedte van scheuren meer - dere scheuren mogelijk) softening hardening Bruggen voor het leven 6 2016 47 5 20-knoops kwadratische elementen, type CHX60 6 Overzicht van het DIANA-model 7 Spanning-rekdiagram in de drukzone (kom nagenoeg overeen met figuur 3.2 van de Eurocode) Berekening Het materiaalgedrag in MC2010 is voor de bruggen ingevoerd in een 3D-eindige-elementenpakket. De berekening van de bruggen is uitgevoerd met behulp van het eindige-elementenprogramma DIANA (versie 9.6). In dit pakket is het materiaalgedrag uit de MC2010 ingevoerd. Met behulp van dit programma is het mogelijk zowel fysisch als geometrisch niet-lineair te rekenen aan modellen met 3D-volume-elementen. Door daarbij gebruik te maken van een spanning-rekrelatie voor het complete bereik van druk tot trek, is het mogelijk de spanning in een punt voor elke rek te bereke- nen. Bij het aanbrengen van belastingen op volume-elementen is het mogelijk op basis van het evenwicht tussen de elementen de vervorming van deze elementen te berekenen. Na transformatie van de vervormingen naar rekken, worden de bijbehorende spanningen bepaald. Een belangrijk voordeel van deze berekeningsmethode in verhouding tot de gebruikelijke 2D-programma's is dat er geen formules worden afgeleid om doorsnedecontroles uit te voeren. DIANA voert een integrale controle uit door het controleren van spanningen en rekken. Afgeleiden daarvan, zoals momen- ten en dwarskrachten, die in de gebruikelijke 2D-programma's worden gecontroleerd, zijn daarom minder relevant. Het toepassen van dit soort geavanceerde berekeningen vergt meer tijd, maar heeft als voordeel dat het werkelijke gedrag van de constructie veel nauwkeuriger in kaart kan worden gebracht. Een beter begrip van het gedrag komt de veiligheid ten goede, omdat de kans op het niet onderkennen van specifieke bezwijk- mechanismen sterk afneemt. Het DIANA-model kan worden gezien als een virtuele proefbelasting. Veelal resulteert dit erin dat een hogere capaciteit wordt vastgesteld dan met eenvoudi gere orde berekeningen. Dit geldt zowel voor lineaire als beperkt plas- tische berekeningen. uitgevoerd, waarschijnlijk zal het toegepaste materiaal bij een uniaxiale belasting softning gedrag vertonen. Het materiaal dat is toegepast, kan worden gekarakteriseerd als buigtaai. De breukbuigtreksterkte van de matrix (betonmortel) is lager dan die van de vezels. Door dit gedrag is het mogelijk de treksterkte van het materiaal te mobiliseren en op te nemen in de spanning-rekrelatie. Hoe dit kan worden uitgevoerd is beschreven in de MC2010. Als alternatief zou het materiaalmo- del van CUR-Aanbeveling 111 [2] kunnen worden toegepast. De principes komen globaal overeen. Dwarskracht Door de toevoeging van staalvezels zal de constructie ook bij bezwijken op dwarskracht ductiel gedrag vertonen. De toevoeging van beugels of opgebogen wapeningsstaven zorgt voor een verdere vergroting van de weerstand en de ductiliteit. Dit is anders dan het gedrag van normaal beton, waarbij bij het bereiken van de dwarskrachtweerstand in een matrix zonder vezels relatief bros bezwijken optreedt. ZHSB en UHSB De hoogste gereglementeerde sterkteklasse volgens NEN-EN 206 [6] is C100/115. Daarboven is er min of meer 'vrij spel' en wordt er nationaal vaak gesproken van zeer-hogesterktebeton (druk - sterkte tot 150 MPa) of ultra-hogesterktebeton (druksterkte vanaf 150 MPa). Internationaal wordt de term UHPC (ultra high perfor - mance concrete) gebruikt. In feite een betere term omdat het de nadruk legt op het feit dat de bijzondere prestatie in meer zit dan alleen sterkte. 5 6 7 Bruggen voor het leven 6 2016 48 De hoge pieksterkte is gemodelleerd om de scheurwijdte nauw- keurig te benaderen. Bij het weglaten van de piek zal het materiaal zich te gunstig taai gedragen waardoor spanningen in de wapening na het scheuren gering blijven. De traditionele wapeningsstaven die in het ontwerp voorname- lijk waren toegevoegd voor extra stijfheid, zijn in het model als embedded reinforcement bars gemodelleerd (perfecte aanhech - ting tussen betonstaal en beton). Voor traditionele wapenings- staven met kwaliteit B500B is uitgegaan van het spanning- rekdiagram in figuur 9. Modellering Voor het modelleren van de bruggen zijn 20-knoops kwadrati- sche solid elementen toegepast (type CHX60, fig. 5). Een relatief fijn elementennet is toegepast met minimaal zeven elementen over de hoogte ter plaatse van de ribben. Tevens is in het midden van de brug (waar het grootste buigend moment optreedt) het net in langsrichting extra verfijnd voor het verkrijgen van nauwkeurigere resultaten. In het model verlopen spanningen en rekken in de drukzone van het beton volgens een parabolisch spanning-rekdiagram waarbij het beton een maximale drukspanning van 120 MPa kan opnemen (fig. 6). Hierbij is ervan uitgegaan dat het model met karakteristieke waarden rekent, conform de Eurocode. De spanningen en de rekken in de trekzone verlopen volgens een multi-lineair-diagram (fig. 7). In dit diagram is te zien dat het ZHSB een zeer hoge axiale treksterkte heeft van 12 MPa. Bij het bereiken van de treksterkte zal het materiaal in het model scheuren volgens een zogenaamd uitgesmeerd scheur model. In zo'n model is geen sprake van een discrete scheur, maar wordt een 'scheur' uitgesmeerd over een bepaalde afstand. Deze methode geeft aan in welke elementen scheurvorming optreedt, houdt rekening met de stijfheidsafname van het beton en geeft een goede indicatie van de bezwijkvorm. Het programma DIANA kent verschillende uitgesmeerde scheurmodellen. In dit geval is gekozen voor het total strain rotating crack model waarbij de richting van een eenmaal ontstane scheur meedraait met de richting van de hoofdtrek- spanning. Op deze wijze kunnen in een scheur geen schuif- spanningen ontstaan die mogelijk kunnen leiden tot een over - schatting van de bezwijkbelasting. De trekspanning valt na het bereiken van de treksterkte niet direct terug naar nul, maar er is sprake van een lang na-scheur-traject waarbij nog steeds trekspanningen over de scheur kunnen worden overgedragen. 8 500450 400350300250 200150 100 50 0 0,01 0 0,02 0,03 0,04 0,05 stress [MPa] strain [-] 2 4 6 8 10 12 14 0 0,02 0 0,040,06 0,08 UHSBtensile strength (MPa) strain 500 450 400 350 300 250 200 150 100 500 0,01 0 0,020,030,040,05 stress [MPa] strain [-] 2 4 6 8 10 12 14 0 0,02 0 0,04 0,06 0,08 UHSB tensile strength (MPa) strain 9 10 8 Het plaatsen van de brug 9 Spanning-rekdiagram beton in de trekzone 10 Spanning-rekdiagram traditionele wape - ningsstaven Bruggen voor het leven 6 2016 49 11a Betondrukspanningen (hoofdspanning s3) in het DIANA-model 11b Staalspanningen in de wapening in het DIANA-model 11c Doorbuiging in het DIANA-model 11d Verschillende eigenmodes van het DIANA-model bij verschillende eigenfrequenties Resultaten Voor de ULS bleken de optredende spanningen en rekken in het beton en de wapening ruimschoots te voldoen. Doorbuiging en trillingen waren maatgevend (fig. 10 en 11). Door het toepassen van een zeeg kan worden voldaan aan de doorbuigingseisen (fig. 11). De brug voldoet aan een doorbui- ging van minimaal 1 op 300. Dynamisch gedrag Om het comfort voor de gebruiker te controleren, werd het dynamische gedrag van de brug beschouwd. Hiertoe werden de eigenfrequenties van de brug bepaald. Als de eigenfrequentie van de brug overeenkomt met de frequentie van de externe excitatie, zoals die veroorzaakt kan worden door voetgangers, kan resonantie optreden. Dit dient vermeden te worden. De frequenties veroorzaakt door voetgangers hebben over het algemeen het volgende bereik: - verticaal, een frequentie tussen de 1 en 3 Hz; - horizontaal, een frequentie tussen 0,5 en 1,5 Hz, gesynchroni- seerd met de verticale. De brug werd berekend aan de hand van een eigenwaardeana- lyse in DIANA (fig. 11). Deze analyse gaat uit van het model met lineaire materiaaleigenschappen. Uit de berekeningen volgde dat bij elke eigenmode de bijbehorende eigenfrequentie steeds boven de 3 Hz zat. Productie De bruggen zijn geproduceerd in een open mal, dat willen zeggen dat de bovenzijde de stortzijde is. ZHSB is, net als UHSB, ook bijzonder geschikt om in een gesloten mal gepompt te worden, zodat complexe en/of gebogen vormen mogelijk zijn. Bij het storten van vezelversterkt beton verdient de vezeloriëntatie aandacht. Het mengsel wordt vanaf de korte zijde in de mal gegoten en loopt vervolgens in lengterichting in de mal. De vezels zullen zich veelal in lengterichting oriënteren. Nadat de stortzijde is afgewerkt, wordt de mal afgedekt om warmte vast te houden en uitdroging van de 60 mm dunne randen te voorkomen. Tot slot Mocht er een aantal jaren geleden nog sprake zijn geweest van koudwatervrees, inmiddels begint ZHSB en UHSB gemeengoed te worden, getuige de gerealiseerde projecten in binnen ? en buitenland. Het materiaal bewijst telkens zijn meerwaarde. De BASIS-brug is nauwelijks duurder dan gewoon beton en is een verantwoorde keuze voor de inrichting van de duurzame buitenruimte. Ook in Drachten en Deventer zijn inmiddels BASIS-bruggen gerealiseerd. ? ? BRONNEN 1 Walraven,J., Bigaj-Vliet, A., van, fib Model Code for Concrete Structures 2010. 2 CUR-Aanbeveling 53, Spuitbeton en gespoten cementgebonden mortels, herziene versie van CUR-aanbeveling 11, 2006. 3 NEN-EN 1992 2: Ontwerp en berekening van betonconstructies - Deel 1-1: Algemene regels en regels voor gebouwen. 4 NEN-EN 14651 Beproevingsmethode voor staalvezelbeton - Meten van de buig-treksterkte (proportionaliteitsgrens (LOP), reststerkte) 5 Betoniek 6/11 Carbonatie, 1 februari 1984 6 NEN-EN 206, Beton - Specificatie, eigenschappen, vervaardiging en conformiteit 11a 11b 11c 11d 11d Bruggen voor het leven 6 2016