C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouwcement 2008 5 45K O S M O SIn 2005 heeft Rijkswaterstaat vastgesteld dat onderhoud aande kunstwerken in het Rijks(vaar)wegennet niet langer konworden uitgesteld. Daarom is besloten tot een grootschaligeonderhoudsbeurt. Onder projectnaam KOSMOS, "Kunstwer-ken Onderhoud Samen met de Markt Onder Systeemgerichtecontractbeheersing", zijn deze werkzaamheden verdeeld overeen aantal clusters als aparte UAV-gc projecten aanbesteed.Uitgangspunt bij de projecten is een zo optimaal mogelijke uit-voering van de onderhoudswerkzaamheden met een minimumaan verkeershinder en ergernissen van weggebruikers.KOSMOS UTI betreft de werkzaamheden aan 25 viaductenen bruggen, 4 sluizen en 114 verkeerskundige draagconstruc-ties (portalen) in de regio Utrecht op onder andere de A1, A2,A12, A27 en A28 en over of in het Amsterdam-Rijnkanaal.Externe voorspanning versterktkunstwerken knooppunt Eemnesing. S.R. de Munck, GMB Beton- en Industriebouwing. C. Lugtmeier, Freyssineting. A.T.W.G. Verweij PMSE en ing. E.P.J. de Winter, Royal HaskoningOnderdeel van het KOSMOS UTI project is het versterken van de kunstwerkenTomatuva en Paddestoel, twee uitbouwbruggen in het knooppunt EemnesA1/A27. Met de uitvoering van de versterkingsmaatregel wordt de toenameaan verkeersbelasting opgevangen en worden de kunstwerken voorbereid opde toekomst met een eventuele wijziging van de rijbaanindeling.Bij een herberekening heeft Rijks-waterstaat vastgesteld dat dekunstwerken rekenkundig nietgeschikt zijn voor de huidige ver-keersbelastingen volgens ROBK,versie 5. Bij volledige belastingvan de brug treden in de gebruiks-fase trekspanningen op in de con-structie (2,5 N/mm2en meer),onder andere in en nabij de lijm-voegen. Op deze plaatsen, in deonderzijde van de koker zijn ookscheuren waargenomen. Afhanke-lijk van de situatie (temperatuur,belasting) staan deze scheurenopen of dicht. De duurzaamheidvan de constructie is hiermee inhet geding. Ter plaatse van de kri-tische lijmvoegen ligt de laagstlig-gende interne voorspankabel nognet boven het begin van de gecon-stateerde scheuren. Aantastingvan de voorspankabels door corro-sie is dus niet aan de orde.Al tijdens de bouwfase van dekunstwerken zijn de eerste scheu-ren opgemerkt. Rijkswaterstaatheeft vervolgens een onderzoekuitgevoerd en vastgesteld dat inde originele berekening van dekunstwerken de optredende span-ningen zijn onderschat (tempera-tuursgradi?nt onvoldoende mee-genomen, bouwverkeer, extreemwarme zomers, verkeerde inter-pretatie computerberekening). Alsherstelmaatregel is toen besloten1 |Knooppunt Eemnes metkuinstwerken Tomatuvaen PaddestoelA1 ri. Amsterdam?Paddestoel ?Tomatuva ?C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouw46 cement 2008 5om vier voorspanstaven ?32 mmper koker als externe voorspan-ning aan te brengen. Hierbij isechter geen rekening gehoudenmet het effect van het excentrischaanbrengen van deze staven. Heteffect van deze herstelmaatregelis hierdoor minder dan voorzien.Daarnaast worden de trekspan-ningen veroorzaakt door de gro-tere verkeersbelasting en de gro-tere asfaltdikte dan voorzien tij-dens het ontwerp. Verder is dedwarskrachtcapaciteit nabij detussensteunpunten in de uiterstegrenstoestand onvoldoende, eenbekend verschijnsel bij kunstwer-ken van dit type en deze ouder-dom. Rijkswaterstaat heeftdaarom besloten de kunstwerkenconstructief te versterken. Met hetoog op de toekomst is gesteld datde versterking ontworpen moetworden op basis van ROBK, ver-sie 6 waarin de meest recenteinzichten over de in rekening tebrengen belastingen zijn ver-werkt.T o m a t u v a e n P a d d e s t o e lDe kunstwerken Tomatuva enPaddestoel bestaan uit twee opzichzelf staande kokerliggervia-ducten. Elk viaduct is opgebouwduit twee ??ncellige kokers metdaartussen een stortstrook. Dekokers zijn gebouwd volgens het"Plakbrug"-systeem. De eind-steunpunten, hamerstukken opde tussensteunpunten en desluitmoten zijn in het werkgestort. De tussenliggende ele-menten zijn geprefabriceerd. Deuitkragings- en continu?teitsvoor-spanning koppelt deze onderde-len tot ??n koker met drie over-spanningen: 29,9 m - 40 m - 30m. Na het aanbrengen van destortstrook tussen de twee kokersworden de kokers door middelvan dwarsvoorspanning aanelkaar gekoppeld tot een koker-liggerviaduct met breedte van19,4 m (fig. 2). De kokers hebbeneen constante, uitwendige hoogtevan 1,68 m. De inwendige hoogteis 1,13 m nabij de lijven oplo-pend naar 1,23 m in het middenvan kokerdoorsnede. De krui-singshoek is nagenoeg recht (95gon).V e r s t e r k i n g s m a a t r e g e lTijdens de aanbestedingsfase zijndrie alternatieven naast elkaargezet: externe voorspanning,koolstoflijmwapening en stalenliggers. Zowel op techniek, ver-keershinder als prijs kwamexterne voorspanning als meestkansrijk uit de bus. Vervolgens iseen afweging gemaakt tussenexterne voorspanning buiten ofin de koker en tussen een rechtcentrisch, een recht excentrischof een in verticale richtinggeknikt kabelverloop. De keuzeis gevallen op externe voorspan-ning aangebracht in de koker enmet een geknikt kabelverloop(fig. 3), omdat:? het aanbrengen van externevoorspanning aan buitenzijdevan de koker meer werk metzich mee brengt boven de rijba-nen van de A1 en dus ook meerverkeershinder veroorzaakt;? er bij externe voorspanning meteen recht kabelverloop trekspan-ningen aan de onderzijde vande koker blijven optreden.Per koker worden zes voorspan-kabels aangebracht. Elke kabelbestaat uit 18 strengen ?15,7mm (in totaal 2700 mm2) van het2 |Viaduct is opgebouwduit twee ??ncelligekokers met daartusseneen stortstrook3 |Geknikt kabelverloopexterne voorspanningC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouwcement 2008 5 47type VZA FeP 1860 (Freyssinettype 19C 15) en wordt in eenHDPE omhullingsbuis (?125mm) aangebracht. De kabelsworden aan beide uiteinden ver-ankerd met een ankerkop en wig-gen. Gezien de beperkte, en openkele plaatsen zelfs ongunstigebijdrage is de reeds aanwezigeexterne voorspanning (voorspan-staven ?32 mm) verwijderd.Hiermee is tevens ruimtegemaakt voor de nieuw aan tebrengen voorspanning.Dit type versterkingsmaatregel isin Nederland nog niet veel toege-past. Twee voorbeelden zijn deversterkingen van de Ketelbrug ende IJsselbrug [1, 2]. Eemnes isuniek door relatief kleine inwen-dige afmetingen van de koker(3,20 m x 1,13 m). Dit gegevensamen met de verdere constructie-opbouw en de uitvoeringswijzeleveren randvoorwaarden op voorhet ontwerp zoals:? reservering werkruimte voor devijzels t.b.v. het afspannen vande voorspankabels;? voldoende `doorkruipruimte'tussen de ankerblokken en dedeviatoren;? de beperkte afmetingen van detoegangsluiken in de onderflensvan de koker;? de locaties van de bestaande uit-kragings- en continu?teitskabelsin de kokerlijven;? geometrie van de oplegging vanhet middensteunpunt en demogelijkheden om de nieuwaan te brengen krachten af tedragen naar de ondersteuning.In dit krappe speelveld is gezochtnaar een kabelverloop met bijbe-horende positionering van despanblokken en deviatoren. Hier-bij zijn zowel het probleem van detrekspanningen als van de dwars-krachtoverschrijding opgelost enis voldaan aan de gestelde rand-voorwaarden.L a n g s v o o r s p a n n i n gVoor de uitwerking van het uit-voeringsontwerp van de langs-voorspanning is gekozen voor hetprogramma ALP2000. Voor delineair-elastische fase zijn deresultaten volgend uit een 2D-modellering met bijvoorbeeldALP2000 namelijk vergelijkbaarmet de resultaten volgend uit een3D-modellering [3]. Met ALP2000is de complete liggerberekeningmet de volledige fasering inclu-sief de voorspanning en krimp-en kruipverliezen beschouwd.Als basis voor de uitwerking isgestart met de liggerberekeningvan Bouwdienst Rijkswaterstaat.Deze berekening is op een aantalpunten aangepast naar aanleidingvan de resultaten van aanvullendeinspecties, nieuwe inzichten engewijzigde ontwerpeisen. Vervol-gens zijn aan de oorspronkelijkeberekening twee extra bouwfasentoegevoegd. Eerst wordt debestaande uitwendige voorspan-ning verwijderd (bouwfase 3).Daarna wordt de nieuwe uitwen-dige voorspanning aangebracht engespannen (bouwfase 4). Ditresulteert in de volgende fasering:1. Bouw 19782. Extra voorspanning 19793. Lossen extra voorspanning 20074. Aanspannen externe voorspan-ning 20075. EindsituatieUit de ALP-berekening blijkt datmet het gekozen kabelverloop enhet gekozen voorspansysteem vol-doende extra normaaldrukkrachten extra opwaartse buiging kanworden gerealiseerd om alle plak-voegen in de bruikbaarheidsgrens-toestand continu onder druk tehouden. Daarnaast blijkt deopwaartse kracht uit het gekniktekabelverloop en de extra normaal-drukkracht in de constructie vol-doende om de dwarskrachtproble-matiek in de uiterste grenstoe-stand op te lossen.D e t a i l l e r i n g a n k e r b l o k -k e n e n d e v i a t o r e nDe ankerblokken en deviatorenbrengen de voorspankrachten van-uit de langsvoorspanning over opde bestaande constructie. Zij wor-den uitgevoerd in gewapend betonmet een betonsterkeklasse van tenminste C35/45 en wapeningsstaalFeB500. In beide eindoverspan-ningen is voor elke kabel eenankerblok aangebracht. Daarnaastworden ter plaatse van de afbuig-punten in totaal acht nieuwe devi-atoren per koker aangebracht, vierstuks in de middenoverspanningen twee stuks in beide eindover-spanningen. De locatie van deankerblokken en deviatoren isafgestemd op de ligging van debestaande voorspanning in dekokerlijven.Om het krachtenspel ten gevolgevan de langsvoorspanning te kun-nen opnemen en over te brengenop de bestaande constructies wor-den de ankerblokken en deviato-ren met behulp van dwarsvoor-spanning (Freyssibar voorspansta-ven ?40 FeP 1030) tegen debestaande kokerlijven geklemd.Daarnaast worden de blokkenvoorzien van de volgende wape-ning:? Splijtwapening achter de anker-koppen om ontoelaatbarescheurvorming ten gevolge vande resterende trek(splijt)-spanningen tegen te gaan (stan-daard detail conform attestFreyssinet van spiraalwapeningen beugels voor spankoppentype 19C 15). Toepassing vandwarsvoorspanning heeft reedsgeleid tot lagere, resterendetrek(spijt)spanningen.? Beugelwapening voor het over-brengen van de krachten in hetsamenstel van bestaande koker-wand en nieuw aangestort blokover te brengen naar de onder-vloer en het dek.? Comptabiliteitswapening omervoor te zorgen dat de krachtgelijkmatig op de koker wordtovergebracht (samen met dedwarsvoorspanning).De benodigde hoeveelheid dwars-voorspanning wordt bepaald dooreen aantal componenten (fig. 4):? De benodigde voorspankrachtC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouw48 cement 2008 5(F1) om de benodigde schuif-kracht voor het inleiden van devoorspankracht volgend uit delangsvoorspanning (Fp bijankerblok, Fpv bij deviator)) tekunnen leveren door het blokvoldoende te klemmen tegen dekokerwand;? Het opnemen van de resulte-rende trekkracht (F2) volgenduit het excentrisch inleiden vande voorspankracht volgend uitde langsvoorspanning en deconsolewerking die hierdoorontstaat (Fp bij ankerblok, Fpv bijdeviator). Bij de deviatorenwordt deze `trekband' nietalleen door middel dwarsvoor-spanning (F2a) overgebracht,maar worden de deviatoren ookd.m.v. drukbalk op elkaar afge-steund (F2b). De bestaandedwarsvoorspanning en wape-ning in het dek volstaat om detrekband die in het dek ontstaatop te nemen.? Het opnemen van de horizon-tale krommingsdruk cq. uit-breekkracht van de langsvoor-spanning (F3).Op basis van de sommatie van dekrachten F1, F2 en F3 is vervolgensde benodigde dwarsvoorspanningbepaald. Daarbij is de kracht F1bepaald met de volgende, op prak-tijkresultaten gebaseerde formule:s Np f/f p Pm ? V1waarin:s = reductiefactor voor normaal-kracht 0,85;Np= verankeringsnormaalkrachtloodrecht op de langsvoor-spankracht Pm;f = wrijving (1,0 bij opgeruwd /boucharderen beton);f = reductiefactor voor wrijving1,2;V1= afschuifcapaciteit beton;p = belastingfactor voor voorspan-ning 1,35;Pm= de over te brengen represen-tatieve langsvoorspankracht.Na vaststelling van het aantalvoorspanstaven per blok zijn deblokken geschematiseerd tot eenEEM schijfmodel in Esa PrimaWin. Als belastingen zijn hieropde resulterende krachten uitlangsvoorspanning, de bestaandekrachten uit de dwarsvoorspan-ning in het dek en de nieuw aante brengen dwarsvoorspanningaangebracht. Op basis van deberekende spanningen is vervol-gens gecontroleerd of de capaciteitvan de aanwezige wapening in debestaande constructie voldoendeis en is de wapening in de nieuwte maken blokken bepaald.De bestaande tussenwanden terplaatse van de tussensteunpun-ten fungeren ook als deviatoren.Ten behoeve van de doorvoer vande zes voorspankabels wordensparingen aangebracht. Ter com-pensatie van deze verzwakkingen de extra trekkracht horizon-taal boven in de wand tengevolge van de inleiding van deextra aangebrachte voorspan-kracht wordt een compenserendemaatregel getroffen: twee door-gaande voorspanstaven aan beidezijden van de tussenwand,gekoppeld aan stalen profielenbuiten de koker (fig. 6). Als devoorspanstaven worden afge-spannen wordt de extra normaal-F3F1F2FpAnkerblokbovenaanzichtDeviatorverticale doorsnedeFph= F3= Hor. component t.g.v.knik in vsp. kabelFpv= vert. component t.g.v.knik in vsp. kabelF3F2FpvF1FphF2aF2bsig1 [MPa]5.82.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0-6.54 |Benodigde dwarsvoor-spanning5 |Spanningen in ankerblokC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouwcement 2008 5 49drukkracht ten gevolge van hetvoorspannen via de stalen profie-len ingeleid in de tussenwand enwordt de capaciteit van de tus-senwand hersteld en in dit gevalzelfs verbeterd.S p a n p r o t o c o lNa het storten en verharden vande ankerblokken en deviatorenkunnen de dwarsvoorspanstavenen vervolgens de langsvoorspan-ning worden aangebracht en afge-spannen.De langsvoorspanning in de tweekokers van hetzelfde kokerligger-viaduct worden gelijktijdig spie-gelsymmetrisch afgespannen. Hetis namelijk niet mogelijk de langs-voorspanning eerst in de enekoker en vervolgens in de anderekoker af te spannen. Door de geo-metrie van de constructie (tweeaan elkaar verbonden kokers) zoudit namelijk te grote trekspannin-gen in het dek opleveren en tegrote horizontale belastingen opde opleggingen veroorzaken.Vanuit het oogpunt van minimaleverkeershinder worden de kabelsvanaf ??n zijde afgespannen.De voorspankracht is in driestappen in de kabels gebracht(30% - 60% - 100%). Per stap isdezelfde, vaste volgorde van hetafspannen van de kabels gehan-teerd. Tijdens het afspannenhebben de beide spanploegencontinu met elkaar contact omzodoende het afspanprocesgelijktijdig te laten verlopen.B e s c h r i j v i n g v o o r s p a n -s y s t e e mDe externe voorspanning is aan-gebracht met het Freyssinetsysteem. Kenmerken van ditsysteem zijn de hoge bescher-mingsgraad van de voorspan-strengen en de uitstekendekrachtsinleiding ter plaatse van deverankeringen en deviatiepunten.Het systeem bestaat uit individu-eel beschermde strengen in eengrotere HDPE omhullingbuis. Terplaatse van verankeringen endeviatiepunten loopt deze HDPEbuis door stalen sparingvormers.Elke streng is individueelbeschermd met vet en een HDPEomhulling. De ruimte tussen destrengen en de buitenste HDPEbuis is gevuld met grout. Ditresulteert in een 4-laags bescher-mingsysteem. De verankeringenworden verduurzaamd met afdek-kappen, gevuld met was (fig. 7).Andere voordelen van het toege-paste Freyssinet systeem zijn degeringe wrijvingsverliezen en demogelijkheid tot spannen metmonovijzel. Hoewel niet toegepastbij de kunstwerken van Eemnes,kan het Freyssinet systeem wor-den uitgerust met een aantal extramogelijkheden, waaronder eenpermanent monitorsysteem doormiddel van loadcells en een voor-ziening tot het naregelen en ver-vangen van individuele strengen.De Freyssibar staven, hier toege-past om de anker- en deviatie-blokken aan de kokers te bevesti-gen, kenmerken zich door eenfijne draad, resulterend in zeergeringe verliezen ten gevolge vanmoerzetting. Dit is een vereistebij de onderhavige toepassingmet zeer korte staven. De veran-keringen zijn speciaal vervaar-digd. Doordat spiralen niet kon-den worden toegepast ? wegensruimtegebrek en het reeds aan-wezige beton van de kokers ? zijnde ankerplaten significant ver-groot om een verantwoordekrachtsinleiding in het beton tekunnen garanderen.U i t v o e r i n gEen van de vereisten in het con-tract is dat de werkzaamheden uit-gevoerd worden met zo min moge-lijk verkeershinder. Het ontwerp ishier op uitgelegd: alle werkzaam-heden, met uitzondering van hetaanbrengen en afspannen van dedwarsvoorspanning, worden vanuitde kokers uitgevoerd.Voorbereidende werkzaamhedenVoor het aanbrengen van dedwarsvoorspanning worden er ineen nauwkeurig stramien gatenvan ?60 mm in de kokerlijvengeboord, in totaal 2016 stuks. Ditnauwkeurige stramien is in ont-werp vastgesteld op basis van detheoretische ligging van debestaande voorspanning in dekokerlijven. Ter beheersing vanhet risico dat een bestaande voor-spankabel wordt geraakt is hier-6 |Versterkingsmaatregeltussenwand7 |Freyssinet extern voor-spansysteem (links) engangbaar extern voor-spansysteemC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBr uggenbouw50 cement 2008 5voor een speciale procedure vast-gesteld. Met behulp van specialeradarapparatuur is de huidigevoorspanning in kaart gebracht enafgetekend op de wanden. Vervol-gens is daaroverheen het boorstra-mien en de theoretische liggingvan de huidige voorspanninggelegd. Bij een eventueel conflictis gezamenlijk met de ontwerpersgekeken hoe hiermee moet wor-den omgegaan.Voordat met het maken van deankerblokken en deviatoren kanworden gestart, zijn eerst de aan-wezige externe voorspanstavenverwijderd. Het verwijderengebeurt door de verankeringenvrij te hakken en vervolgensgecontroleerd weg te branden.Zodra de voorspanstaven span-ningsloos zijn, zijn deze in delenverwijderd uit de brugkoker enbij het landhoofd opgeslagen voortransport.BetonwerkVervolgens is de wapening opge-vlochten (fig. 8). Dit gebeurt in dekoker om de eenvoudige reden datde afmetingen van de toegangslui-ken niet toereikend zijn om dewapening als prefab elementen inde kokers te krijgen. Het extra ver-ruimen van de toegangsluiken isoverwogen maar hier is niet voorgekozen. De bestaande constructiezou daarmee teveel worden ver-zwakt.Na het stellen van de wapening enhet aanbrengen van de in te stor-ten onderdelen ten behoeve van devoorspanning is de stalen bekis-ting, die speciaal voor dit werk isgemaakt, gesteld en verankerd aande buitenwand. Via lange liggendeleidingen zijn de bekistingen vol-gestort met beton (fig. 9).Montage externe voorspanningNa het storten van de betonnenblokken is de ?125 mm HDPEkabelomhulling, aangevoerd indelen van 5 m en gekoppeld metelektrolas moffen in de koker.Gelijktijdig is begonnen met hetafspannen van de voorspansta-ven, 2016 stuks in totaal verdeeldover acht kokers. Na het afspan-nen is de holle ruimte tussen hetbeton en de staven gegrout. Ditproces van afspannen en afwer-king gebeurt aan de buitenzijdevan de koker met behulp van ver-keersmaatregelen, waarbij tel-kens ??n rijbaan is afgesloten.Na het gereedkomen van deHDPE kabelomhulling zijn destrengen ingevoerd met een haal-draad en shuttle, overeenkomstigmet het invoeren van strengenbij het Freyssinet tuisysteem.Vervolgens is de ruimte tussende individueel beschermde stren-gen en de HDPE kabelomhullinggegrout, waarna bij voldoendeverharding de strengen met eenmonovijzel in meerdere stappengespannen zijn. Het spannengebeurt met twee monovijzels,??n in elke koker, om te grotetrekspanningen in het dek en tegrote horizontale oplegreacties tevoorkomen. Na het afspannenzijn de verankeringen van dekabels afgewerkt met een metwas gevulde kap. Alle werkzaam-heden zijn uitgevoerd onderzware omstandigheden, veroor-zaakt door de zeer beperktewerkruimte en het werken onderverkeersmaatregelen.T o t s l o tOpdrachtgever en opdrachtnemerhebben veel energie in gestoptgoede samenwerking en transpa-rantie. GMB heeft de marktont-wikkelingen en vernieuwing in debouw aangegrepen om als een vande eersten in de sector de inrich-ting van haar processen af te stem-men op de wens van de klant.L i t e r a t u u r1. Woudsma, G., VersterkenKetelbrug met uitwendigevoorspanning. Cement 2003,nr. 1;2. Rasooli, M.R. en Keusters, G.,Ijsselbrug versterkt met uit-wendige voorspanning,Cement 2006, nr. 6;3. Kuilboer, C., Kaptijn, N., deBoer, A., Hordijk, D., Naaktge-boren, N., Betonmechanica(III): Betonnen kokerligger-bruggen, Cement 1995, nr. 4;4. Dieteren, G.G.A, Memo herbe-rekening Paddestoel en Toma-tuva (knpnt Eemnes) d.d. 14decemberProjectgegevensopdrachtgever:Rijkswaterstaataannemer:Combinatie GMB Civiel - Hollandia vofbetonconstructies:GMB Beton- en Industriebouwvoorspanning:Freyssinet Nederlandontwerp:Royal Haskoning9 |Ankerblok met ankerkop8 |Wapening ankerblok