Reconstructie Koningin Julianabrug Bestaande brug in Katwijk grotendeels vervangen maar oude uitstraling zoveel mogelijk gehandhaafd 1 Koningin Julianabrug na oplevering 1 6? CEMENT 6 20 21 De Koningin Julianabrug in Kat- wijk is een wegverbinding in de Biltlaan over het Uitwaterings- kanaal. De brug vormt de verbinding tussen noord en zuid langs de kust. Over de brug kruist het auto- en langzaam verkeer, onder de brug de scheepvaart. Dankzij een beweegbaar deel in het midden konden hoge schepen de brug passeren. De brug is gebouwd rond 1963 en heeft een stedelijk en solide karakter met opval- lende gemetselde pijlers, gedetailleerd beton - werk en een eenvoudige maar kenmerkende blauwe leuning (foto 1 en 3). Andere opvallen - de kenmerken zijn het brugwachtershuisje met bronzen dak, de bronzen scheepvaart- seinen en het kunstwerk 'Drie bronzen zee- paardjes' dat in 1978 op de brug is geplaatst. Opbouw bestaande brug De oorspronkelijke Koningin Julianabrug bestond uit drie velden: twee betonnen aanbruggen en een middenveld bestaande uit een basculebrug met stalen val (fig. 4). De twee betonnen aanbruggen waren iden- tiek en opgebouwd uit betonnen prefab liggers met een overspanning van 14,40 m. Het middenveld overspande 10,90 m tussen beide pijlers. Het bestaande dek was circa 21,5 m breed en had een totale lengte van circa 51,0 m. De bestaande onderbouw be- stond uit twee laaggelegen landhoofden en twee betonnen (bascule)kelders als tussen- steunpunten. De landhoofden waren van steunberen voorzien (foto 5) en zijn evenals de (bascule)kelders op prefab betonnen palen gefundeerd. Deze palen variëren van 300 × 300 mm² en 350 × 350 mm² tot 400 × 400 mm². De zichtbare betonopper- vlakken van de onderbouw zijn met metsel- werk afgedekt. Aanleiding reconstructie In 2010 werd in de brug betonrot geconsta- teerd. Uiterlijk 2020 zou het dek moeten worden vervangen. In 2020 was er tevens een uitbreiding van het R-Net (bussen) ge- pland met een nieuwe verbinding over deze brug. Samen met de toename van het verkeer en de wens toekomstbestendig te zijn in ver- band met de mogelijke komst van een tram, heeft dit geleid tot de wens voor een nieuw, breder dek. Het dek moest ook worden ver- lengd om voldoende ruimte te bieden aan het fietsverkeer op een nieuw aan te leggen fietspad onder de brug, langs het water (foto 1, fig. 2 en 6). Dit als vervanging van de bestaan - de fietstunnel op de noordoever. De gemeente Katwijk heeft een wenselijke variant laten opstellen door een architect in samenwer- king met een aantal deskundige bedrijven. Ontwerp nieuwe brug De wenselijke variant ging uit van een dek bestaande uit vier velden met een breedte van 28,0 m en een totale lengte van 68,0 m. De verbreding zou aan beide zijden van het bestaande dek worden gerealiseerd. Direct na het verlenen van de op- dracht is deze wenselijke variant geanaly- seerd. Hierbij bleek dat de kosten boven het budget lagen. Daarom is het ontwerp in IR. DURAID SHAYOUT Ontwerpleider Mobilis (voorheen VolkerWessels Infra Competence Centre) ING. DAVE KOSTERINK PMSE RC Senior specialistVan Hattum en Blankevoort auteurs Door schade aan de bestaande brug en de komst van een buslijn en in de toekomst waarschijnlijk ook een tram, was een reconstructie van de bestaande Koningin Julianabrug in Katwijk noodzakelijk. Het dek en een deel van de steunpunten zijn vervangen en het beweegbare deel is komen te vervallen. Bij de reconstructie moest de bestaande uitstraling zo veel mogelijk in stand blijven. CEMENT 6 2021 ?7 2 Vogelvluchtperspectief reconstructie Koningin Julianabrug3 Bestaande brug PROJECTGEGEVENS project Reconstructie Koningin Julianabrug opdrachtgever Gemeente Katwijk opdrachtnemer Van Hattum en Blankevoort (VHB), i.s.m. VolkerWessels Infra Competence Center (VWICC), Volker Staal en Funderingen (VSF), KWS Infra, Vialis, BKB Infra, Smits Neuchatel Infrastructuur prefab liggers Romein Beton ontwerp- en uitvoeringsperiode sep. 2019 ? mei 2021 2 richting de zee (westzijde) richting de zee(westzijde) 3 8? CEMENT 6 20 21 bouwteamverband geoptimaliseerd. Hierbij stonden veiligheid, duurzaamheid en de esthetische aspecten centraal.De geoptimaliseerde variant bestaat uit een dek met drie velden met een breedte van 26,05 m (ca. 5,0 m breder dan bestaand) en een totale lengte van 60,0 m (een verlengd eindveld t.o.v. de huidige situatie) (fig. 7). De verbreding is alleen aan de oostzijde van het dek gerealiseerd. In de nieuwe brug is het beweegbare deel, de val, vervallen. Wel wilde de op- drachtgever de bestaande uitstraling zoveel mogelijk handhaven. Er is daarom gekozen om de bestaande onderbouw zoveel moge- lijk te hergebruiken en de nieuwe boven- bouw dezelfde uitstraling te geven als de bestaande bovenbouw. Ook is een nieuw burgerwachtershuisje geplaatst. De bovenbouw is een doorgaand betonnen dek, circa 0,7 m hoger dan het bestaande beweegbare deel van het dek. Dit was nodig in verband met een grotere doorvaarthoogte voor de recreatieve vaart. De minimale doorvaarthoogte moest 5,1 m boven het peil in het Uitwateringskanaal (NAP -0,6 m) zijn. Van de bestaande onder- bouw is het zuidelijk landhoofd volledig hergebruikt en voorzien van een nieuwe oplegbalk. Het nieuwe noordelijke land - hoofd is circa 9 m achter het bestaande noordelijke landhoofd gerealiseerd. Dit is een hooggelegen landhoofd op een veran - kerde combiwand. De kelderpijlers van as 2 en as 3 zijn visueel volledig intact gelaten, maar binnen de pijlers is wel een nieuwe rij funderingspalen voor de nieuwe bovenbouw aangebracht. Door het vervallen van het stalen val is een bedieningsfunctie van de brug niet meer nodig en is de geluidsoverlast vermin- derd. De lege ruimtes in de pijlers krijgen een ecologische functie als verblijfplaats voor vleermuizen. 4 Langsdoorsnede bestaande brug 5 Bestaand landhoofd as 4 noord Het ontwerp van de nieuwe brug bestaat uit een dek met drie velden waarbij één veld is verlengd en waarbij het beweegbare deel is vervallen 4 5 CEMENT 6 2021 ?9 6 7 6 Visualisatie fiets- en voetpad en zijkant van de brug7 Langsdoorsnede vernieuwde brug Ontwerpuitgangspunten? De brug in de nieuwe situatie heeft een ontwerplevens- duur van 50 jaar en is conform de vigerende Eurocodes en gevolgklasse CC2 ontworpen. De verkeerssnelheid op de brug is 50 km/uur. De doorvaarthoogte tussen de pijlers van de vaarroute is minimaal 5,1 m ten opzichte van waterpeil (NAP -0,6 m) en het profiel van vrije ruimte voor het fietspad onder de brug is minimaal 3,0 m. Groen ontwerp? Op het dek is ruimte voor twee rijbanen bestaande uit twee rijstroken, twee voetpaden aan de buitenzijde en een fietspad (fig. 8). Dit fietspad sluit aan op de nieuwe fietspadenstructuur van de Biltlaan. Voor de belasting is rekening gehouden met een vrije indeling van het verkeer op het dek, over een breedte van 24,05 m. De gemeente Katwijk heeft, op initiatief van de omgeving, gekozen om de brug een bij- zonder groen karakter te geven. Op het dek komt tussen het fietspad en voetpad een groenstrook van 3,0 m breed (fig. 9 en 10). Deze groenstrook verbindt het groen aan beide oevers met elkaar. De groenstrook heeft een ecologische functie en is zodanig ingericht dat deze een voedselbron vormt voor bijen, vlinders en andere kleine dieren. Tussen het fietspad en de rijbaan voor auto's komt een groene kruidenberm van 1,0 m breed. Beoordeling bestaande brug Van de bestaande constructie uit 1963 wa - ren nagenoeg geen ontwerpberekeningen en -tekeningen voor handen, enkel twee bestektekeningen. Hierdoor is de maximale landhoofd zuid bestaande kelder bestaande basculekelder landhoofd noord 10? CEMENT 6 20 21 belasting op de pijlers van de brug tijdens de bouwfase bepaald op circa 75 ton. Hierbij is uitgegaan van de norm VOSB 1938 en het uitgangspunt dat het geen belangrijke regio- nale verbindingsweg is geweest. Door dit uitgangspunt gold een beperking aangaande de sloopwerkzaamheden en de te gebruiken boorstellingen voor de palen.Het draagvermogen van de bestaande palen is op basis van (magnetoconus)sonde- ringen berekend. Met behulp van deze son- deringen en de minimaal beschikbare gege- vens in het archief, is het paalpuntniveau van de bestaande palen bepaald. Er is uitvoerig onderzoek gedaan naar de staat van de bestaande brug. Er is onder meer gekeken naar aantasting door ASR, scheurvorming, chloride-indringing en de toegepaste dekking in de betonconstructie van de onderbouw. Uit dit onderzoek bleek dat er ASR-aantasting in de onderbouw zat, met uitzondering van het zuidelijke land- hoofd. Het beton van het noordelijke land- hoofd vertoonde naast ASR ook overmatige scheurvorming en indringing van chloride. Ook in de tussensteunpunten is scheurvor- ming en ASR-aantasting geconstateerd. Voorts voldeed de geconstateerde dekking in het algemeen niet aan de geëiste dekkings- eisen conform de huidige vigerende normen. Enkel het zuidelijke landhoofd verkeert in goede staat. Rekentechnisch bleek dat dit landhoofd voldoende draagvermogen heeft om de belastingen op te nemen. De opho- ging achter dit landhoofd is met circa 1,0 m EPS gerealiseerd om de extra verticale be- lasting op de bestaande palen te beperken. Constructief ontwerp nieuwe brug Zoals aangegeven bestaat het nieuwe dek uit drie velden, met overspanningen van 16,28 m (veld 1), 17,5 m (veld 2) en 26,0 m (veld 3). Dek? De velden 1 en 2 zijn gerealiseerd met volstortliggers en veld 3 met omgekeerde T-liggers. De volstortliggers van veld 1 en veld 2 hebben een hoogte van 600 mm met een druklaag van 150 mm. De omgekeerde T- liggers van veld 3 hebben een hoogte van 900 mm met een druklaag van 230 mm. 8 9 Het zuidelijke landhoofd is hergebruikt en het noordelijke is vervangen 8 Inrichting dek 9 Visualisatie dek CEMENT 6 2021 ?11 Landhoofden? Van de oorspronkelijke vier steunpunten is alleen het landhoofd op as 1 (zuid) hergebruikt voor het dragen van het nieuwe dek. Dit landhoofd is aan één zijde verbreed om het bredere dek op te vangen. Het oorspronkelijk landhoofd op as 4 (noord) is boven maaiveld volledig geamo- veerd en vervangen door een nieuwe funde- ringssloof op een combiwand (foto 11 en 14). Pijlers? De twee bestaande pijlers (de opleg- pijler en basculekelder, respectievelijk in as 2 en 3) zijn visueel intact gelaten. Om het bredere dek op te vangen zijn nieuwe 'kel- derpijlers' gebouwd, die zijn gefundeerd op stalen palen. De nieuwe pijlers zijn schar- nierend verbonden met de bestaande pijlers met een afschuifnok en een trek/druk-ver- binding (fig. 12). De verbreding is niet mono- liet verbonden met de bestaande constructie er is een voegprofiel aangebracht. In ver- band met het overdragen van de aanvaar- belasting is een scharnierende koppeling gerealiseerd. Door de vloeren van de pijlers (as 2 en as 3) zijn overmaatse gaten geboord om nieuwe funderingspalen (stalen buispalen) aan te brengen. Deze buispalen zijn niet be- rekend op aanvaarbelasting. Daarom functi- oneren de pijlers in de toekomstige situatie als aanvaarbescherming van de nieuwe buispalen. Daarnaast dragen zij de perma- nente belastingen van de bestaande onder- steuningen. Maar ze dragen geen verticale belasting vanuit het dek (tabel 1). Om te bepalen of de bestaande con - structie de aanvaardbelasting op zou kunnen nemen, is gerekend aan deze constructie. Hierbij is de verzwakking van de horizontale bedding van de bestaande prefab palen door het aanbrengen van de nieuwe buispalen in acht genomen. De doorvoergaten in de be- staande constructie zijn voldoende groot om zowel bouwtoleranties als verplaatsing door aanvaring te kunnen ondergaan zonder de nieuwe palen te belasten. Knopen? Op de nieuwe palen is een beton- nen kesp aangebracht, waarop in de bouw- fase de prefab liggers zijn geplaatst. Vervol- gens zijn de overspanningen verbonden met een druklaag en natte knopen, die het veld links en rechts van de knoop monoliet met elkaar verbindt voor de gebruiksfase. De wapening voor de natte knopen in as 2 en as 3 is aan de hand van de verschil- lende fases bepaald. Daarbij gold dat de kesp in de bouwfase eerst excentrisch is be- last bij het plaatsen van de prefab liggers en vervolgens wederom bij het storten van de druklaag. Het verschil in belasting links en rechts van de kesp is een risico voor de zij- delinkse verplaatsingen. Om dit risico te beperken, zijn restricties opgelegd, zoals het niet in één keer storten van een hele druklaag op een veld. Horizontale stabiliteit? Het borgen van de horizontale stabiliteit in de gebruiksfase van de constructie was een andere uitdaging. Vanuit de vraagspecificatie is meegegeven dat er een maximale horizontale belasting van 10% verticaal op het landhoofd op as 1 (zuid) mag worden afgedragen. Er is daarom gekozen voor een glijdoplegging in de langs- richting van het dek (fig. 15). Aangezien de nieuwe buispalen van as 2 en as 3 pas een horizontale bedding krijgen op bodemniveau van het uitwateringskanaal, zullen deze zich als pendelstaven gedragen. De horizontale stabiliteit in langsrichting van het dek moet daarom door het nieuwe landhoofd op as 4 (noord) worden geborgd. Hier is, zoals eer- der aangegeven, een verankerde combiwand ontworpen, waarbij het dek met doken is verbonden aan de funderingssloof. Door de vloeren van de bestaande pijlers zijn overmaatse gaten geboord om nieuwe funderingspalen aan te brengen voor het dragen van het nieuwe dek as paaltype functie 1 prefab beton (bestaande palen) dragen belasting uit nieuw dek en grondbelasting achter landhoofd 2 prefab beton (bestaande palen) dragen onderbouw + aanvaarbescherming type tubex met groutinjectie (of vergelijkbaar) dragen nieuw dek 3 prefab beton (bestaande palen) dragen onderbouw + aanvaarbescherming type tubex met groutinjectie (of vergelijkbaar) dragen nieuw dek 4 combiwand (open stalen buispalen) dragen belasting uit nieuw dek en keren grondbelasting achter landhoofd Tabel 1?Type palen en functie 12? CEMENT 6 20 21 12 11 10 10 Visualisatie groenstrook op het dek 11 Nieuw landhoofd t.p.v. as 4 (noord) 12 Bovenaanzicht t.p.v. aansluiting bestaande kelder met de nieuwe verbreding CEMENT 6 2021 ?13 13 14 Hierdoor wordt een groot deel van de hori- zontale langskrachten afgedragen aan dit landhoofd. Voor de horizontale krachten in dwarsrichting is ook op as 1 (zuid) een dook toegepast, die met een 'slobgat' geen langs- krachten overdraagt. Hiermee is de hori- zontale stabiliteit geborgd. Uitvoering Voor het aanbrengen van de buispalen is gekozen voor een 'kleine' Tubexmachine, waardoor de meeste palen vanaf de brug konden worden aangebracht. De overige palen zijn vanaf een ponton op het water aangebracht. Voor de sloopwerkzaamheden hield dit in dat het val- en contragewicht niet in grote delen kon worden weggehaald. Het bestaande dek is daarom in kleinere delen opgeknipt en verwijderd.Op de nieuwe buispalen is zoals gezegd een kesp gestort. De stabiliteit van deze kesp moest in de bouwfase worden geborgd. Dit is gedaan door de palen af te schoren op de bestaande pijlers (foto 13). Hierdoor kon tij- dens de bouw enige excentrische belasting op de kespen worden toegelaten. De uitein- delijke zijdelingse verplaatsing van de kespen is verwaarloosbaar gebleken. Metselwerk? In de ontwerpfase werd ervan uitgegaan dat slechts een beperkt gedeelte van het metselwerk (esthetische functie) te- gen de betonconstructie van de kelders ter plaatse van as 2 en as 3 zou worden ver- nieuwd. Tijdens de sloopwerkzaamheden bleek echter dat het beton op meerdere plaatsen was aangetast. Om verdere aantas- ting tegen te gaan, is er in overleg met het bouwteam voor gekozen het metselwerk vol- ledig te verwijderen en zodoende het beton, waar nodig, te behandelen en er vervolgens nieuw metselwerk voor plaatsen. Dit had uiteindelijk een minimale invloed op de planning, maar heeft de duurzaamheid van de bestaande constructie flink verbeterd. Modellering project Voor de brug is een lineair-elastisch eindige- elementenmodel opgezet in SCIA Engineer. Het model is opgebouwd uit plaat- en staaf- elementen in een 3D-omgeving (fig. 16). Het dek is op basis van de orthotrope parameters van de volstortliggers en omge- keerde T-liggers ingevoerd. Het orthotrope dek van veld 1 is ter plaatse van as 1 opge- legd op verticale veren (h.o.h. 1000 mm) die equivalent zijn aan de stijfheid van het be- staande landhoofd en een dwarsblokkering in het midden van het dek (in langsrichting kan het dek hier vrij bewegen). Op as 2 en as 3 is een plaat gemodelleerd met de breedte en hoogte van de natte knoop. De natte kno- pen zijn gefundeerd op staafelementen (buispalen) met een horizontale bedding op bodemniveau en puntveren op NAP -21 m. Voor landhoofd as 4 is een balk gemodel- leerd die aan de onderzijde een rotatieveer en verticale en horizontale stijfheid gelijk 13 Nieuwe buispalen met tijdelijke ondersteuning t.p.v. as 2 14 Onderbouw in aanbouw 14? CEMENT 6 20 21 aan de combiwand heeft. Ter plaatse van as 4 zijn 8 blokkeringen aangebracht die alle horizontale krachten kunnen opnemen. Om tot de veren van de combiwand te komen zijn in een iteratief proces het geotechnisch model en constructief model op elkaar afge- stemd. 3D-wapenen De wapening in dit project is 3D uitgewerkt. Bij het controleren van de wapening is ge- bruikgemaakt van het programma BIMplus om de wapeningsmodellen in te zien. De conclusie hierbij was dat er effectieve stap- pen zijn gemaakt in de beschikbare pro- gramma's voor het reviewen van de wape- ning. Denk hierbij aan uitzetten van lagen, het maken van opmerkingen in het 3D-mo- del en het volgen van de verwerkstatus van een opmerking. Hierbij moet wel worden vermeld dat het nog steeds lastig is om de details in het 3D-model goed te doorgron- den. Voorbeelden zijn las- en verankerings- lengtes, de constructieve samenhang op het moment dat je lagen uitzet om een beter beeld te krijgen en het goed (en controleer- baar) vastleggen van de bevindingen. In het verlengde hiervan is een pilot opgestart om de wapening in het werk te controleren met behulp van Augmented Re- ality (AR) (foto 17). Er is hiervoor een tablet ingericht met een AR-app, waarin de wape- ningsmodellen zijn ingeladen. De camera van de tablet is daarbij op de te controleren wapening in het werk buiten gericht, waar- na het wapeningsmodel hier per laag op kan worden geprojecteerd. Het is op die manier direct duidelijk of de ontworpen wapening overeenkomt met de werkelijkheid. De tech- niek is nog volop in ontwikkeling en zeker nog niet afdoende toepasbaar. Maar het is wel duidelijk dat AR flink kan gaan helpen in de nabije toekomst. Tot het moment dat de ontwikkeling van AR de controle van de wa- pening buiten gebruiksvriendelijk maakt, kunnen voor deze controle de 2D-werkteke- ningen worden gebruikt. Deze 2D-tekenin- gen worden door de vlechter gemaakt om de aanbrengvolgorde van de wapening vast te leggen. Deze tekeningen worden opgesteld, nadat de 3D-wapeningsmodellen door de coördinator constructieve veiligheid zijn goedgekeurd. Afstemming Tijdens de bouwfase gold voor de bestaande bovenbouw een lastbeperking, wat uiteinde- lijk een uitdaging bleek om zowel sloop- als funderingswerkzaamheden binnen plan- ning uit te voeren. Meerdere afstemoverleg- gen tussen ontwerp, sloop- en heipartij in de ontwerpfase hebben plaatsgevonden om te komen tot oplossingen waarbij de benodigde uitgangspunten van zowel ontwerp als uit- voering aan elkaar zijn toegelicht. Dit heeft ertoe geleid dat ontwerp en realisatie elkaar tijdig hebben begrepen en de faalkosten zijn hiermee aanzienlijk geminimaliseerd. 15 Statisch systeem hoofddraagconstructie 16 Grafische weergave rekenmodel 17 Controle vloerwapening verbreding middels Augmented Reality (AR) 15 16 17 CEMENT 6 2021 ?15