24 Herziening rekenmethodiek buigslappe voegen 1 Introductie Rijkswaterstaat richtlijn RTD 1023 Tussen rijdekken opgebouwd uit geprefabriceerde betonnen liggers worden regelmatig buigslappe voegen toegepast (foto 1). Eind jaren negentig is door Rijkswaterstaat een rekenmethodiek ontwikkeld volgens de normen uit de TGB 1990-serie en op basis daarvan een standaarddetail bepaald voor veel voorkomende situaties. Hierover is gepubliceerd in het artikel 'Buigslappe voegen' in Cement 2000/2 [1]. Met de invoering van de Eurocodes was het noodzakelijk de rekenmethodiek en het standaarddetail opnieuw tegen het licht te houden. Dit heeft geresulteerd in de nieuwe Rijkswaterstaat richtlijn: RTD 1023 ? Buigslappe voegen. Herziening rekenmethodiek buigslappe voegen 6 2017 25 wegverhardingbuigslappe voeg stekwapening uit liggers prefab kokerligger tussensteunpunt Prefab-betonnen brugliggers worden in de Nederlandse prak - tijk op brede schaal toegepast. Ze bieden veel voordelen, zoals een hoog bouwtempo en weinig hinder voor het verkeer. De geprefabriceerde draagconstructies zijn echter voornamelijk voor vrij opgelegde overspanningen geschikt, zodat bij meer - dere brugvelden dilataties ter plaatse van de tussensteunpunten ontstaan. Op deze locaties kan een buigslappe voeg worden toegepast om de discontinuïteit voor het verkeer weg te nemen. Dit is een relatief dunne betonnen plaat onder de wegverhar - ding, die in het werk is gestort op een watervaste triplexplaat als verloren bekisting (fig. 2). De buigslappe voeg is monoliet verbonden met de bovenkant van de aansluitende rijdekken. De buigslappe voeg zorgt ook voor een geluidsbeperking en voor bescherming van onderliggende constructies. De buig - slappe voeg is een comfortabel en duurzaam type voegover - gang, dat tegelijkertijd met de opkomst van geprefabriceerde betonnen rijdekken in de bruggenbouw is ontwikkeld. Verfijning rekenmethodiek en herziening standaarddetail Tot en met de jaren negentig werden buigslappe voegen per situatie ontworpen en berekend. Om onnodig repetitiewerk en tevens de discussies die daarbij ontstonden te voorkomen, heeft Rijkswaterstaat samen met Adviesbureau Hageman eind jaren negentig een rekenmethodiek en standaarddetail ontwik - keld [1]. Binnen een gedefinieerd toepassingsgebied kon het standaarddetail worden toegepast en daarbuiten kon de voeg - constructie worden berekend met behulp van de ontwikkelde rekenmethodiek. Met de komst van het Bouwbesluit 2012 en de daarin aange - wezen Eurocodes ontstond de noodzaak de rekenmethodiek opnieuw tegen het licht te houden en het standaarddetail te herzien. In eerste instantie is geprobeerd een vereenvoudigde 'vertaling' van de rekenmethodiek naar de Eurocodes te maken. Dit leverde echter geen praktische oplossing op, omdat de conform de Eurocodes berekende voegwapening enorm was toegenomen ten opzichte van het oude ontwerp. Met andere woorden: er werd een duidelijke trendbreuk geconstateerd bij de overgang naar de Eurocodes. Deze trendbreuk werd door diverse aspecten veroorzaakt. De belangrijkste factoren die daarbij een rol speelden, zijn: 1. Een grotere vereiste betondekking aan de bovenzijde. Hierdoor neemt de totale voegdikte toe, waardoor de voeg minder 'buigslap' wordt. De krachten door opgelegde hoek - verdraaiingen vanuit de aansluitende rijdekken nemen hierdoor toe en daarmee ook de benodigde hoeveelheid wapening. 2. Zwaardere wielprenten in combinatie met een afname van de dwarskrachtcapaciteit. De benodigde voegdikte neemt hierdoor toe met hetzelfde effect als beschreven onder punt 1. 3. De vermoeiingsbelastingen volgens het relatief eenvoudige belastingsmodel 1 (FLM1) in NEN-EN 1991-2 [2]. De belastingen leiden tot hogere spanningswisselingen in de voegwapening dan de vermoeiingsbelasting volgens de (vervallen) norm NEN 6723 (VBB). Ook hierdoor zou veel meer voegwapening noodzakelijk zijn. Voor het ontwikkelen van een detail dat aan de Eurocodes zou voldoen, zonder dat sprake zou zijn van een trendbreuk in benodigde afmetingen van de voeg en/of voegwapening, bleken een verfijnde aanpak en aanvullende berekeningen noodzakelijk. Deze verfijning is doorgevoerd in het onderzoek dat in de afgelopen periode in opdracht van Rijkswaterstaat door Adviesbureau Hageman is uitgevoerd. Het onderzoek heeft geleid tot een nieuw standaarddetail en tot een aanpassing van de rekenmethodiek op enkele aspecten. Tevens is de rekenme - thodiek verbeterd voor scheve kruisingen, waarbij sprake is van niet-orthogonale wapening in de voeg. Het onderzoek heeft geresulteerd in een nieuw Rijkswaterstaat Technisch Document (RTD 1023) [3]. Constructief gedrag voeg Uitgangspunt voor de voeg is dat de prefab-betonnen brugdekken als vrij opgelegd (statisch bepaald) worden ontworpen. De buigende momenten en dwarskrachten in het brugdek worden niet noemenswaardig beïnvloed door de aanwezigheid van de buigslappe voegen, omdat de buigstijfheid van de voeg slechts een fractie bedraagt van de buigstijfheid van het brugdek. Dit komt doordat enerzijds de hoogte van de voeg veel kleiner is dan die van het brugdek en anderzijds doordat de voeg als gescheurd kan worden verondersteld, terwijl de voorgespannen liggers in de praktijk ongescheurd zullen zijn. Het beschreven gedrag betekent eveneens dat de buigslappe voeg de hoekverdraaiingen vanuit de aansluitende velden niet of nauwelijks verhindert. ir. Sander van der Vossen Adviesbureau ir. J.G. Hageman B.V. ir. Henryk Nosewicz Rijkswaterstaat 1 Wapening buigslappe voegfoto: Van Hattum en Blankevoort2 Principe van de buigslappe voeg 2 Herziening rekenmethodiek buigslappe voegen 6 2017 26 N 12 Nre m Nre m p a u2 u1 = gelijkmatig verdeelde belasting door wielprenten over afstand a N rem = normaalkracht door rembelasting = normaalkracht door verhinderde lengteveranderingen van de brug = opgelegde hoekverdraaiing vanuit brugdek i u i = opgelegde verticale verplaatsing vanuit brugdek i p N N 1 2 50 100 250 100 250100 250 300 h dasf h dasf TS1 TS 2 75 k N 75 k N 50 kN 50 k N bTS1= 600 + 2d a sf+ h bTS1en 2 = 1300 + 2d asf+ h 45° a = 5 40 + h p = 2 · 25 / (a · b TS1) p = 4 · 50 / ( a · b TS1 e n 2 ) pTS= p + p 3 Modellering van de buigslappe voeg4 Bepaling gelijkmatig verdeelde belasting door wielprenten TS1 en TS2 Op hoofdlijnen gelden de volgende eisen voor de buigslappe voeg: ? De voeg moet voldoende sterk zijn om de verkeersbelasting direct op de voeg en de normaalkracht door de rembelasting op te kunnen nemen (uiterste grenstoestand ? sterkte). ? De voeg moet in staat zijn de eerdergenoemde belastingen in combinatie met de opgelegde vervormingen vanuit de aansluitende velden te kunnen ondergaan zonder ontoelaat - bare scheurvorming (bruikbaarheidsgrenstoestand). ? De voegwapening mag niet bezwijken op vermoeiing als gevolg van de wisselende verkeersbelasting direct op de voeg en wisselende opgelegde vervormingen vanuit de aansluitende velden (uiterste grenstoestand ? vermoeiing). Verfijningen in de rekenmethodiek Voor informatie over de rekenmethodiek die ten behoeve van het oorspronkelijke standaarddetail is ontwikkeld, wordt verwezen naar [1]. In het navolgende wordt ingegaan op de belangrijkste verfijningen in deze rekenmethodiek die een trendbreuk in benodigde afmetingen van de voeg en/of voeg - wapening voorkomen c.q. zo veel mogelijk beperken. Daarbij komen de volgende aspecten aan bod: ? theoretische overspanning; ? lastspreiding wielprenten; ? beoordeling dwarskracht; ? vermoeiing. De buigslappe voeg wordt onderworpen aan: 1. verkeersbelasting op de voeg (wielprenten); 2. normaalkracht door rembelasting en verhinderde lengte- veranderingen van de brug; 3. opgelegde hoekverdraaiingen en verticale verplaatsingen (door indrukking oplegblokken) vanuit de aansluitende velden. De belasting door het eigen gewicht van de voeg en van het bovenliggende asfalt kunnen worden verwaarloosd. Vanwege de relatief kleine overspanning van de voeg kan de belasting door wielprenten worden opgevat als een gelijkmatig verdeelde belasting. De voeg kan daarom worden geschematiseerd tot een ligger die is ingeklemd in de aansluitende velden. Het model met de beschreven belastingen en opgelegde vervormingen is gegeven in figuur 3. 4 3 Herziening rekenmethodiek buigslappe voegen 6 2017 27 Ldag a p 2d d 2d b ove nwa pening Ø1 2-7 5 (c = 50 + 12 = 62 mm) ( d ekkin g ko ke rligg er 5 0 mm) onde rwapening Ø12 -15 0 (c = 30 mm ) 800 70 0 5 0 50 d w ars wa pen ing 7Ø1 2 b/o 170 beton C35/45 ma x. ko rrel 16 mm 300 300 polystyre en o pl egs tro ok water vast triplex overla p 400 mm Plastik ol® UDM 2S (o.g.) b = 170 0 mm 5 Bepaling dwarskracht op afstand d (a = wielprent na spreiding) 6 Standaarddetail buigslappe voeg bij kokerliggers Beoordeling dwarskracht Bij de dwarskrachttoets zijn de toegestane reducties volgens NEN-EN 1992-1-1 [4] in rekening gebracht, die verband houden met rechtstreekse afdracht van een deel van de belasting naar de oplegging. In de rekenmethodiek volgens de TGB kon ook rekening worden gehouden met rechtstreekse afdracht, maar dit was in de oude methode niet gedaan omdat dwars - kracht niet kritisch was vanwege de minder zware wielprenten. De reducties volgens NEN-EN 1992-1-1 houden in dat mag worden getoetst op een afstand d vanaf de dag van de oplegging en dat een reductie in rekening mag worden gebracht op de belasting binnen een afstand 2 d (fig. 5). Een eventueel gunstig effect van membraanwerking (drukboog) is buiten beschouwing gelaten, omdat vanwege trekkrachten wordt getwijfeld aan voldoende opsluiting van de voeg. Vermoeiing Voor de vermoeiingstoets is gebruikgemaakt van de regel van Miner en is uitgegaan van het belastingsmodel 4b voor vermoeiing in NEN-EN 1991-2 (FLM4b). Daarbij is wél, in tegenstelling tot de toetsing van de statische sterkte, rekening gehouden met de opgelegde vervormingen vanuit de aanslui - tende velden. Bij de statische sterkte kunnen de opgelegde vervormingen buiten beschouwing worden gelaten, omdat voldoende ductiliteit aanwezig is in de voeg. Voor vermoeiing moeten deze opgelegde vervormingen wél worden meegenomen, omdat deze leiden tot spanningswisselingen in het beton en betonstaal, die bijdragen aan de vermoeiingsschade. Vanwege de gehanteerde uitgangspunten met betrekking tot de vermoeiingssterkte van het betonstaal, geldt als belangrijk aandachtspunt voor de uitvoering dat er geen (hecht)lassen Theoretische overspanning Voorheen werd gerekend met een overspanning gelijk aan de dagmaat. Dit uitgangspunt is herzien, waarbij de theoretische overspanning is bepaald volgens NEN-EN 1992-1-1 [4], 5.3.2.2. Dit komt neer op de dagmaat vermeerderd met de voegdikte, wat als voordeel heeft dat de voeg zich slapper gedraagt. Hier - door nemen momenten door opgelegde hoekverdraaiingen vanuit de aangrenzende velden af. De dwarskracht mag worden getoetst met de dagmaat, waardoor de optredende dwarskracht niet toeneemt. Lastspreiding wielprenten Voorheen was de belasting door de wielprenten vrij conserva - tief berekend. Vanwege de toename van de belasting door de wielprenten is een nauwkeurige bepaling noodzakelijk gebleken. Daarbij is uitgegaan van de voorgeschreven wielprentafmetin - gen volgens RTD 1007-2 'Eisen voor voegovergangen' [5], die zijn afgeleid uit ETAG 032-1 'Expansion joints for road bridges' [6]. Bij het bepalen van de gelijkmatig verdeelde belasting is rekening gehouden met de spreiding door het asfalt en de halve voegdikte (fig. 4). 5 6 Herziening rekenmethodiek buigslappe voegen 6 2017 28 As,l a n g s As,d w ars brugr and richting prefab liggers 7 Niet-orthogonale voegwapening CUR-rapport 54 'Wapenen van platen' [8], maar deze methode bleek niet geschikt voor de opgelegde vervormingen vanuit de aangrenzende velden. Om meer inzicht te krijgen in de krachtswerking bij opgelegde vervormingen, zijn berekeningen uitgevoerd met het eindige-elementenprogramma ATENA. Hieruit is een vereenvoudigde rekenmethode afgeleid, waarbij gebruik wordt gemaakt van factoren die zijn verkregen uit de EEM-berekeningen. Voor nadere informatie hierover en over andere aspecten wordt verwezen naar RTD 1023. Tot slot Het toepassingsgebied van het nieuw ontwikkelde standaard - detail van de buigslappe voeg is gegeven in RTD 1023. Een belangrijke voorwaarde is bijvoorbeeld dat de kruisingshoek tussen de as van het tussensteunpunt en de richting van de prefab liggers niet kleiner mag zijn dan 60°. Voor situaties buiten het toepassingsgebied zal de constructeur zelf een berekening moeten maken. In RTD 1023 zijn hiervoor aanbevelingen gegeven en is een rekenvoorbeeld opgenomen. Zowel de RTD 1023 als de eerdergenoemde RTD 1010 maken deel uit van ROK 1.4 'Richtlijnen Ontwerpen Kunstwerken' [9] die beschikbaar is op de website van Rijkswaterstaat (www.rijkswaterstaat.nl/zakelijk/werken-aan-infrastructuur/ bouwrichtlijnen-infrastructuur/). ? ? LITERATUUR 1 Nosewicz, H., de Jong, P., Buigslappe voegen, Cement 2000/2. 2 NEN-EN 1991-2, Eurocode 1: Belastingen op constructies ? Deel 2: Verkeersbelasting op bruggen, NEN. 3 RTD 1023, Buigslappe voegen, versie 1.2, 24-1-2017, Rijkswaterstaat. 4 NEN-EN 1992-1-1, Eurocode 2: Ontwerp en berekening van betonconstructies ? Deel 1-1: Algemene regels en regels voor gebouwen, NEN. 5 RTD 1007-2, Eisen voor voegovergangen, versie 3.0, 01-12-2014, Rijkswaterstaat. 6 ETAG 032-1, Expansion joints for road bridges ? Part 1: General, EOTA. 7 RTD 1010, Standaarddetails voor betonnen bruggen, versie 1.0, april 2010, Rijkswaterstaat. 8 CUR-rapport 54, Wapenen van platen, 1972, SBRCURnet. 9 RTD 1001, Richtlijnen Ontwerp Kunstwerken, versie 1.4, april 2017, Rijkswaterstaat. mogen worden toegepast voor het samenstellen van de voeg - wapening. Standaarddetail Rijkswaterstaat Behalve de diverse aanpassingen in de rekenmethodiek, zijn ook de uitgangspunten voor het standaarddetail van Rijkswa - terstaat opnieuw tegen het licht gehouden. Aan de hand van een parameterstudie is onder meer nagegaan welke opgelegde vervormingen, brugbreedte en ongedilateerde lengte moeten worden aangehouden. Enerzijds is daarvoor informatie van prefab-betonleveranciers gebruikt en anderzijds zijn diverse berekeningen bij verschillende liggertypen en overspanningen uitgevoerd. Dit alles heeft geleid tot twee nieuwe standaard- details, namelijk één voor railbalken met druklaag en één voor kokerliggers. Het standaarddetail voor kokerliggers is opgenomen in figuur 6. Voor railbalken met druklaag geldt een vergelijkbaar detail. De nieuwe standaarddetails zijn opgenomen in RTD 1010 'Standaarddetails voor betonnen bruggen' [7]. Dankzij de uitgevoerde parameterstudie, en de verfijningen en optimalisaties in de rekenmethodiek, is het nieuwe standaard - detail redelijk vergelijkbaar met het oude detail. De voegdikte en de dekking op de wapening zijn iets toegenomen. De onderwapening is gehalveerd, omdat de positieve buigende momenten maximaal de helft zijn van de negatieve buigende momenten. Scheve kruisingen Aanvullend op de eerder ontwikkelde rekenmethodiek is in RTD 1023 aangegeven hoe kan worden omgegaan met scheve kruisingen. Doordat de voegwapening ligt in de richting van de prefab liggers en de dwarswapening in de richting van de as van het steunpunt, is er sprake van niet-orthogonale wapening (fig. 7). De scheefheid en niet-orthogonale wapening in combinatie met niet alleen de belasting door wielprenten, maar ook de opgelegde vervorming leiden tot een redelijk complexe krachts - verdeling in de voeg. Voor de belasting door wielprenten op de voeg kan gebruik worden gemaakt van de methode volgens 7 Herziening rekenmethodiek buigslappe voegen 6 2017