20 Dynamica van fietsbrug belicht 1 Fietsbrug Sydneystraat: een voorbeeld van nauwe samenwerking tussen overheden en markt Na een optimale samenwerking tussen opdracht- gever en opdrachtnemer is eind 2014 een fietsbrug opgeleverd aan de Sydneystraat in Rotterdam. De brug wordt gekenmerkt door een slank ontwerp van beton met nagerekte voorspanning en achteraf geïnjecteerde voorspankanalen. Bij het ontwerp speelden voetgangersdynamica en een onderzoek naar de slankheid van het brugdek een grote rol. Dynamica van etsbrug belicht 8 2016 21 De fietsverbinding tussen de Schiedamse Polderdwarsweg en de Rotterdamse Sydneystraat is een belangrijke schakel in het regionale fietsnetwerk. Het project is een gezamenlijk initiatief van de twee gemeenten Rotterdam en Schiedam en mede mogelijk gemaakt door een subsidie vanuit Beter Benutten 1). Technisch gezien was het een uitdaging het fietspad te realiseren op een tracé waarin over korte afstand forse hoogteverschillen moesten worden overbrugd. Onderdeel van het fietspad is een lange fietsbrug met een hellingspercentage van ongeveer 5% (fig. 2). Contract en samenwerking Tijdens de voorbereiding bleek dat de planning erg krap was, namelijk ongeveer een halfjaar (eis vanuit subsidieregeling) voor ontwerp en uitvoering. Uitwerking aan opdrachtgeverskant tot op een traditioneel bestekniveau zou te veel tijd vergen. Besloten werd daarom het dek tot op het niveau van voorlopig ontwerp (VO) door ingenieursbureau Rotterdam uit te laten werken en het vervolgontwerp over te laten aan de opdrachtne- mer. Tijdwinst kon worden geboekt doordat de aannemende partij in het verdere engineeringsproces ontwerp en uitvoering kon integreren. Zodoende is er een aanbesteding gedaan op basis van het design&construct-principe waarbij gebruik is gemaakt van de systems engineering systematiek. Zowel het definitief ontwerp (DO) als het uitvoeringsontwerp (UO) is door de opdrachtnemer verzorgd. Om de verschillende stake - holders (de gemeenten, waterschap en de beheerafdeling) zekerheid te geven over het eindresultaat, is ervoor gekozen in het contract een bindend VO op te nemen. In dit VO is bijvoorbeeld de materialisatie en het uiterlijk van de brug vast- gelegd. Andere onderdelen van de fietsbrug zoals de fundering zijn ter keuze van de aannemer gelaten, zodat er ruimte ontstond ontwerp en uitvoering op elkaar af te stemmen. Al bij het startoverleg met de aannemer werd afgesproken dat aspecten als het beperken van hinder, de bereikbaarheid en omgevingsbewust werken net zo belangrijk waren als de reali- satie van het project. Naar aanleiding hiervan is afgesproken transparant met elkaar te communiceren om tegenslagen en problemen direct te delen en deze gezamenlijk op te lossen. Dit heeft ertoe geleid dat enkele tegenslagen zonder vertraging of klachten zijn afgehandeld en bovendien was er eerder sprake van partnerschap dan van partijen. De beoordelingstermijnen van het ontwerpproces zijn zo kort mogelijk gehouden door intensief en adequaat ontwerp- en toetsingsoverleg tussen opdrachtgever, aannemer en onderaannemers/constructeurs. Na goedkeuring van het DO konden hierna vrij snel ook de palen worden geheid. Ontwerp De brug bestaat uit twee delen: een deel met vijf overspannin- gen van 15 m en een tweede deel over het water met een over - spanning van 20 m (fig. 2). De brug rust op landhoofden en portalen. Het brugdek heeft een constructieve hoogte van maximaal 450 mm. Het UO heeft slechts één voegconstructie en dat is ter plaatse van de overgang naar het hoogstgelegen veld (fig. 2). Dit is tevens het veld met de grootste overspanning van 20 m. Constructief gezien bestaat het brugdek dus feitelijk uit twee liggersystemen. De eerste en langste ligger is net als de tweede om praktische redenen vanaf één zijde voorgespannen. De tweede ligger is na het voorspannen als prefab dek ingehesen Tako Heukels MSEng, ing. Bart Bouw, ing. Mozafar Said Ingenieursbureau Rotterdam ing. Pieter Blom Gebr. De Koning 1 De fietsverbinding tussen de Schiedamse Polderdwarsweg en de Rotterdamse Sydneystraat is een belangrijke schakel in het regionale fietsnetwerk foto: Paul van der Blom2 Voorontwerp van het ingenieursbureau 1) Beter Benutten is een platform van het ministerie van Infrastructuur en Milieu. 2 Dynamica van etsbrug belicht 8 2016 22 3 Leuningwerk in Rotterdamse Stijl 4 Dwarsdoorsnede dek (UO) 5 Dwarsdoorsnede portaalconstructie (UO) (fig. 4). Dit onder andere om geen zware bekistingsconstructie boven water te hoeven aanbrengen. Door de dekken lopen zes omhullingsbuizen Ø65/70 mm (binnen-/buitenmaat). In de omhullingsbuizen zijn variërend zeven of negen strengen Ø15,7 mm Y1860 aanwezig. De verankering van het voorge- spannen beton wordt verzorgd door voorspankoppen. De betonsterkteklasse varieert van C35/45 voor de kortere over - spanningen en C55/67 voor de grotere overspanning. Als krimpnet is langswapening B500B Ø12-150 aangebracht. Portalen De tussensteunpunten voor de kortere overspanningen worden gevormd door slanke portalen. Om de bovenregel te ontlasten, is ervoor gekozen het oplegmateriaal te concentreren langs de buitenkanten van de bovenregel (fig. 5). Op deze wijze wordt de bovenregel van de portalen slechts gering op buiging belast en kan deze slank blijven. Het brugdek is glijdend opgelegd op de portalen. Hierdoor is de horizontaalkracht uit bijvoorbeeld temperatuur gering. Uitvoering Vanwege de zeer beperkte uitvoeringstijd zijn de bekisting en de wapening voor de landhoofden, poeren en portalen geprefa- briceerd in de werkplaats van de aannemer. Zodoende was de doorlooptijd op projectlocatie, vanaf het plaatsen van de bekis- ting tot het betonstorten, per onderdeel slechts één week. Leuning Het brugdek is afgewerkt met een slijtlaag en een stalen leuningwerk. De geïntegreerde robuuste leuning contrasteert volgens de visie van de architect met het slanke brugdek (foto 1 en foto 3). In het leuningwerk, dat is ontworpen volgens de Rotterdamse Stijl, is ledverlichting geïntegreerd. Deze ledver - lichting is aangesloten op bewegingssensoren nabij de land- hoofden. Hierdoor wordt de brug extra verlicht zodra er zich fietsers of voetgangers op de brug bevinden (foto 8). Om geen verankering van het leuningwerk in het zicht te krijgen, zijn doken onder de voetplaten gelast. De doken zijn na het aanbrengen van de leuning aangegoten in het brugdek (fig. 6). Comforteis Voor een slank ontwerp is in NEN-EN 1991-2 met de Neder - landse Nationale Bijlage (NB nl) uit 2011 momenteel vooral de comfortbeleving van het brugdek bepalend voor de slankheid van het ontwerp. De comforteis aan de maximaal optredende versnelling door voetgangers en joggers is 0,7 m/s 2. Maar op dit gebied is de regelgeving in ontwikkeling. De comforteisen met betrekking tot de joggersbelasting worden in een nog te 200 4000 200 200 200 600 460 460 180 320 180 320 180 320 180 320 180 320 180 3600 2800 600 ø8?250 ø12?150 450 bgls. ø8?300bgls. ombuigen 2 ø12 ø8?150 ø12?150 ø12?150 ø12?150 2 ø8 200 210 40 115 194 141 115 180 155 54,6 404 115 600 bgls. ø10?150 4 ø12 400 2 ø12 sparingen 40 x 100 mm t.b.v. roestvast stalen deuvels 2 stuks ø30 100 350 40 980 760 2000 2800 4000 400600 400 980 40 350100 oplegblok 350 x 250 x 63 oplegblok 350 x 250 x 63 hrsp. ø10?150 7511970 3141 20 bgls. ø10?150 hrsp. ø10?150 ø12?150 bgls. ø10?150 12 ø 12 hrsp. ø12?150 4 ø12 2x ø12 12 ø12 3400 ? o.k. beton 259 ? b.k. beton 3 4 5 Dynamica van etsbrug belicht 8 2016 23 6 Detail van de geïntegreerde leuning (UO) 7 Narekken van de voorspanstrengen met een vijzel verschijnen versie van de NB nl van NEN-EN 1991-2 sterk gereduceerd. Op basis van de nieuwe NB nl, die in een eerder stadium is becommentarieerd, (www.normontwerpen.nen.nl) valt te concluderen dat de joggersbelasting in veel gevallen voor betonnen bruggen niet meer maatgevend of in elk geval minder dominant zal zijn. In figuur 9 is een grafiek afgebeeld waarin de maximaal optredende versnellingen onder invloed van joggers als functie van de tijd is weergegeven. De berekening is gedaan op basis van de NB:2011 nl en hierbij is een jogsnelheid van ongeveer 3 m/s aangehouden. Vandaalbelasting Naarmate de slankheid van een betonnen dek sterk toeneemt, kunnen dynamische effecten gevolgen hebben in de sterkte- berekening. Om die dynamische effecten te bereiken, moet in bijna alle denkbare gevallen sprake zijn van opzet, oftewel vandalisme. In NEN-EN 1991-2 is aangegeven dat de brug door vandalen niet zodanig in trilling mag worden gebracht dat het brugdek bezwijkt. De norm laat de lezer hierbij in het onge- wisse over het frequentiegebied waarbinnen dit mogelijk is. Het is vanuit praktisch oogpunt zo dat lichtgewichtconstructies met een lage eigenfrequentie eenvoudig in beweging zijn te krijgen (resonantie) en zware constructies met een hoge eigen- frequentie juist moeilijk. Vervelend aspect vanuit de dynamica is dat een trilling ervoor zorgt dat er wisselend trek aan onder- en bovenzijde van de doorsnede kan ontstaan. Bij een voorge- spannen constructie ? waarbij de bovenzijde wordt ontlast door de voorspanningskromming ? kan dit leiden tot vervelende trekspanningen waar statisch gezien niet op is gerekend. Een mogelijk gevolg hiervan is dat het beton gaat scheuren. De ontstane scheurvorming zal leiden tot afname van de eigen- frequentie, maar zorgt ook voor toename van de demping door het ontstaan van inwendige materiaalwrijving. Al met al wordt het een groep vandalen erg moeilijk gemaakt het brugdek daadwerkelijk te laten resoneren en bezwijken. 6 7 100 100 doorgaande stalen voetplaat S235 afmetingen 200 x 15 stijlen ø28 S355, h.o.h. 150 gietmortel gains ø50 instorten in dek doken ø16 (B500B) h.o.h. 600, lg 185 2 hrsp. ø8 per gain 250 210 40 25 15 Voorspanning en tweede orde Bij het slank ontwerpen in voorgespannen beton rijst de vraag hoe het beton zich gedraagt ten aanzien van tweede orde. In een zeer oud nummer van Cement 1959/4 [1] is door een oud-collega van de gemeente Rotterdam mathematisch bewijs geleverd dat voorgespannen beton in bijna alle gevallen niet uitknikt. Wordt de berekening uit de eerste paragraaf van dit artikel in een alge - mene differentiaalvorm voor buiging uitgeschreven, staat er voor een dek met aangehechte ? of in elk geval met het omhullende beton contact makende ? kabels: Formule 1 () () () () 422 4 422 4 () dwx dwx dwx dwxEI PPEIqx dx dx dx dx += = waarin: P = voorspankracht w(x) = doorbuigingsfunctie, afhankelijk van de plaats EI = buigstijfheid q(x) = willekeurige uitwendige belasting Wat overblijft, is de differentiaalvergelijking voor een traditionele buigligger. Met andere woorden: de term Formule 1 () () () () 422 4 4 22 4 dwx dwx dwx dwxEI P P EI dx dx dx dx += Formule 2: () 2 2 dwxP dx + Formule 3: () 2 2 ? dw xP dx die het tweedeorde-effect beschrijft, wordt volledig tenietgedaan door de toegenomen krommingsdruk Formule 1 () () () () 422 4 4 22 4 dwx dwx dwx dwxEI P P EI dx dx dx dx += Formule 2: () 2 2 dwxP dx + Formule 3: () 2 2 ? dw xP dx vanuit het kabelsysteem. Hierbij moet wel een kanttekening worden geplaatst. Er kan wel een tweedeorde-effect optreden zodra er geen contact is tussen omhullingsbuis en voorspanningskabels. Maar zodra er vervor - mingen ? mede afhankelijk van de tweede orde ? aan het dek ontstaan, zal de kabel weer tegen het kanaal aanlopen en zal het tweedeorde-effect (groten)deels teniet worden gedaan. Bij toepassing van krappe voorspankanalen zijn er dus niet al te grote problemen te verwachten. Bij het slank ontwerpen in voorgespannen beton met nagerekt staal moet wel enige voor - zichtigheid in acht worden genomen, maar over het algemeen zal een dek niet volledig uitknikken ten gevolge van een voor - spankabel. Dit is anders voor een extern voorgespannen dek waarbij er geen contact ontstaat tussen voorspankabels en het dek. Dynamica van etsbrug belicht 8 2016 24 Evaluatie slankheid ontwerp Vanwege de krappe planning was verdere optimalisatie tijdens het VO niet mogelijk en is uitgegaan van een ruime boven- grens voor de dekdikte. Het in de praktijk gerealiseerde dek met een hoogte van 450 mm heeft een veilige eigenfrequentie van iets minder dan 3,5 Hz. In een afstudeerwerk [2] is verder onderzoek gedaan naar de kritische ondergrens van de dekdikte. Hieruit bleek dat het dek veel slanker zou kunnen: een dikte van 300 mm bleek mogelijk en zou niet leiden tot onoverkomelijke dynamische problemen. Hiervoor is wel een ander principe gekozen: prefabricage en het realiseren van een doorgaand liggersysteem over meerdere steunpunten. Dus ook voor de grootste overspanning. Bovendien is een hogere betonsterkteklasse C90/105 aangehouden en is gebruikgemaakt van voorgerekt voorspanstaal. Dit laatste voornamelijk om praktische dekkingen ten aanzien van omhullingsbuizen te voorkomen en de voorspanning zo efficiënt mogelijk te kunnen plaatsen. Dubbele winst Met de realisatie van de fietsbrug aan de Sydneystraat zijn de gemeenten Schiedam en Rotterdam een nuttige en fraaie fiets- verbinding rijker. Het op deze manier stimuleren van het fiets- verkeer levert niet alleen een reductie op van de hoeveelheid fijn - stof, maar zorgt er ook voor dat de Maasstedelingen meer zullen gaan bewegen. Welgeteld een dubbele winst dus. Uit eigen bele- ving is opgemaakt dat al joggend of wandelend nauwelijks discomfort wordt ervaren. Duidelijk is dat de grens aan de slank- heid van het betonnen dek nog niet is bereikt. Het ontwerpen in beton biedt dus zeker mogelijkheden om tot een slank, maar toch betrouwbaar en betaalbaar ontwerp te komen. ? ? PROJECTGEGEVENS project Fietsbrug Sydneystraat, Rotterdam opdrachtgever Gemeente Rotterdam / Gemeente Schiedam architect Marc Verheijen constructeur tot en met VO Ingenieursbureau Gemeente Rotterdam constructeur vanaf DO Koch adviesgroep opdrachtnemer Gebr. De Koning oplevering 2014 ? LITERATUUR 1 Aarnoudse, J., Welke relatie bestaat er tussen knik en voorspanning in voorgespannen betonconstructies? Cement 1959/4. 2 Heukels, T., Fietsbrug Sydneystraat ? afstudeeropdracht opleiding MSEng Betonconstructeur, Betonvereniging. 8 De nieuwe brug bij avondlicht 9 Optredende versnel- lingen als functie van de tijd 8 9 Dynamica van etsbrug belicht 8 2016