4 Ultrabrug verlegt grenzen In Eindhoven ligt sinds de zomer van 2015 een voetgangers- brug uitgevoerd in wit ultra-hogesterktebeton (UHSB) met sterkteklasse C170/200. De maximale hoogte van het dek van deze zogeheten brug Zwaaikom is 0,4 m. Met een overspanning van 21,4 m resulteert dit in een slankheid van slechts 1/55. Om de voordelen van UHSB ten volle te benutten, zijn staalvezels, traditionele wapening én voorspanning aangebracht. Slankheid van 1/55 dankzij ultra-hogesterktebeton C170/C200 Ultrabrug verlegt grenzen 8 2015 5 22 130 4440 4440 4440 4440 4440 25 637 500 500 De nieuwe voetgangersbrug in Eindhoven, brug Zwaaikom, is gebouwd in een toekomstige woonwijk. De vraag vanuit de opdrachtgever was een lichte, verwijderbare brug, met mini- maal onderhoud en goed inpasbaar in de omgeving. Door toepassing van het concept 'Ultrabrug' kon aan deze eisen worden voldaan (foto 1). Ontwerp Om de gewenste slankheid te kunnen realiseren, is de brug uitgevoerd in ultra-hogesterktebeton (UHSB) met een sterkte- klasse van C200. Dit betekent dat de minimale druksterkte ongeveer 200 N/mm 2 bedraagt. De brug heeft een totale lengte van 25,6 m, een overspanning van 21,4 m en een breedte van 3,8 m (fig. 2). Het brugdek is in lengterichting opgebouwd uit vijf prefabbetonnen kokerelementen, elk met een lengte van 4,4 m. Deze elementen zijn na fabricage, in de fabriek tegen 1 ir. Dil Tirimanna, ir. Jan Falbr FDN Engineering + Construction 1 Brug Zwaaikom op zijn definitieve locatie 2 Zijaanzicht brug Ontwikkeling UHSB In de laatste jaren is UHSB uitgegroeid tot een meer erkend en gerespecteerd bouwmateriaal in Nederland. Verschillende ingenieursbureaus en aannemers zijn zich bewust geworden van het potentieel van dit materiaal, dat leidt tot nieuwe mogelijkheden in de huidige ontwerppraktijk. Een van de belangrijkste toepassingen zijn nieuwe duurzame en architectonische voetgangersbruggen. FDN zag deze kans acht jaar geleden al. In 2013 werd de eerste UHSB-voetgan- gersbrug (betondruksterkte > 150 N/mm 2) ontwikkeld en gebouwd in Rotterdam. Bij de brug Zwaaikom in Eindhoven concurreerde UHSB met andere bouwma- terialen zoals staal en composiet. De voorgestelde variant van de brug met UHSB won de aanbesteding dankzij uitzonderlijke duurzaamheidseigen- schappen, het aantrekkelijke design en de inpassing in de omgeving. De brug kreeg voor het ontwerp het cijfer 10 als beoordeling van de gemeentelijke welstandscommissie. 2 Ultrabrug verlegt grenzen 8 2015 6 overspanning: 21 370 lengte van brugdek: 22 130 4423 4423 4423 415 voorspankabels 4423 4423 415 ankers 3 4 De zijwanden van de ligger hellen naar elkaar onder een hoek van 25°. De dikte van deze zijwanden is 100 mm. De dikte van het bovenste dek is slechts 80 mm en het wordt verondersteld de belasting van een 12-tons voertuig te kunnen dragen. De benodigde dikte voor de bodemplaat is 150 mm, als gevolg van de aanwezige voorspanning. Het gehele dek is versterkt met staalvezels en traditionele wape- ning. Door deze combinatie (hybride constructie) is het beton elkaar geplaatst en nagespannen met vijf gebonden strengen (voorspankabels) en vervolgens naar de definitieve locatie getransporteerd (foto 3). Het dek heeft de vorm van een boog met een constante radius. De doorsnede is kokervormig met een polystyreenkern (fig. 5). De totale hoogte van de ligger is slechts 0,4 m. Deze kleine hoogte resulteert in een slankheid van circa 1/55. Vergelijkbare bruggen van standaardbeton hebben normaal een slankheid rond 1/30. Ultrabrug verlegt grenzen 8 2015 7 1000 3800 3500 80 100 150 400 445 30 800 bgls. 10 x Ø12 280 660 Ø12 x Ø10/100 x 100 Ø10 x Ø10/100 x100 voorspankabels 13 x 0,6'-150 mm 2 / 1860 15 100 Ø10 x Ø10/100 x100 15 105 80 21koker ligger UHPFRC C170/200 + staalvezels 5 6 7 3 Transport van het brugdek naar locatie per vrachtwagen 4 Langsdoorsnede van het dek met verankering van het voorspansysteem 5 Dwarsdoorsnede van het brugdek 6 Langsdoorsnede van het anker; standaard wapeningskorven rondom ankers en in het dek 7 Opbouw van voorspanning in het brugdek was er geen kleiner voorspansysteem te vinden, waardoor de dikte van de bodemplaat minimaal 150 mm moest zijn (fig. 4). Vanwege de dekking van slechts 30 mm is extra wapening toegepast in de onderste plaat tegen uitspatten van de voor - spanbuis. Relatief grote autogene krimp en verhardingskrimp (? a = 550 ?m/m respectievelijk ? a = 150 pm/m; t = ?) is aange- nomen voor de bepaling van voorspanverliezen. De leuning van UHSB De leuningelementen zijn eveneens gemaakt van UHSB. De benodigde sterkte is echter iets lager dan van het dek: C150/180. zeer taai. Anders zou het brosse gedrag leiden tot zowel micro- scheuren als grootschalige scheuren. Het wapeningspercentage van het dek is met 3% relatief groot. Naspannen Het brugdek is nagespannen door vijf strengen (foto 7), met elk dertien draden. Een relatief grote voorspankracht is toegepast: 17 MPa, in totaal 13 500 kN. Deze grote kracht volgt uit het feit dat door de slankheid, en daarmee de lage excentriciteit, de voorspanning minder effectief is. Het verankeringssysteem is gelijk aan beide einden van het dek. Het voorspannen zelf is uitgevoerd aan slechts één zijde van het dek. Ten behoeve van voldoende ruimte voor de voorspanankers bestaat de brug aan de uiteinden over 800 mm uit een massief deel (eindbalk). Rondom de ankers zijn standaardwapeningskorven toegepast om spijtspanning op te nemen (fig. 6). De grootte van de verankeringsbuis bepaalde de dikte van de bodemplaat. Helaas Ultrabrug verlegt grenzen 8 2015 8 455 455 70 4440 R = 213 220 m 4419 70 1000 89,4° 0 3 5 -3 -5 5 10 15 20 tijd [s] versnelling [m/s 2] opwekking door joggers limiet 8 9 8 Zijaanzicht leuning 9 Voorbeeld van dynamische respons van de structuur; 37 joggers lopen over de brug 10 Verankering leuning in dek 11 Vergelijking van de natuurlijke frequenties tussen de Zwaaikom in UHSB en bestaande bruggen met verschillende doorsnedes; hieruit kan worden afgeleid dat de bruggen van UHSB een lagere eigenfrequentie hebben 12 Berekening van het moment van de topplaat en de daarmee samenhangende aanname gemaakt voor UHSB; de herver- deling van de spanningen links komen overeen met de niet gescheurde doorsnede; de figuur rechts is gescheurde doorsnede worden bereikt door de aanwezigheid van vezels. In dit project zijn rechte staalvezels gebruikt. De lengte van de vezels is 12 mm en de diameter is 0,4 mm. Dynamica De natuurlijke frequentie van de brug is slechts 2,29 Hz (fig. 11). Deze waarde behoort tot het kritische bereik voor voetgangers en joggers. Hun stappen liggen immers in een vergelijkbaar frequentiegebied en kunnen onbedoelde verticale trillingen veroorzaken. Hiervoor moest een meer gedetailleerde bereke - ning worden uitgevoerd. Realistische grensbelastingen (dicht- heid voetgangers, aantal joggers, comfort of maximale versnel- lingen) moesten worden opgezet en met de opdrachtgever worden doorgesproken. Deze stap was essentieel, aangezien vele codes en aanbevelingen te algemeen zijn of te conservatief, en niet overeenstemmen met de realiteit. Meer gedetailleerde berekeningen zijn uitgevoerd in samen- werking met dynamicaspecialisten binnen FDN. De meest voorkomende methoden zoals SDOF en de Response Spectrum Method lijken nog steeds te conservatief te zijn, omdat ze zijn gebaseerd op niet-realistische belastingen en vereenvoudigde constructieve eigenschappen. De dynamische berekening is derhalve aangevuld met extra differentiaalvergelijkingen die de randvoorwaarden nauwkeuriger beschreven. De gehele bereke- ning is ook ondersteund door een waarschijnlijkheidsstudie die de kans op het optreden van een belasting beschouwt en de daaruit voortvloeiende constructieve reactie onderzoekt. De mathematische beschrijving van voetgangers en joggers over de brug wordt over het algemeen uitgedrukt door de volgende vergelijking: () () () () () () sin sin / nn nn nn n m t cqt kqt P t vt Ht Ht Lv L q ?? ?? ?? + + = ?? ?? ?? ?? ?? ? ? De leuning heeft een bionische vorm en de schoren zijn wille- keurig verdeeld (fig. 8). De elementen zijn apart gegoten en later vastgebout aan het dek, via een speciaal railankersysteem dat vooraf in het dek is ingestort (fig. 10). Deze leuning draagt niet bij aan de totale draagkracht van de brug, maar moet wel bepaalde belasting uit vandalisme weerstaan. Naast de horizon- tale belasting van 3 kN/m is ook een belasting door een zwaai van een stalen stang (vandalisme) in rekening gebracht. Dankzij de hoge sterkte van het beton kon de dikte van de leuning worden beperkt tot 50 mm. Materiaal Om de hoge sterkte te bereiken, is in het gebruikte mengsel hoogwaardig gecalcineerd bauxiet gebruikt als aggregaat. De korrelgrootte van het aggregaat ligt in het bereik 0-6 mm. Als bindmiddel is portlandcement 52,5 met snelle uitharding gekozen. De water-bindmiddelverhouding is zeer laag, rond 0,17. De goede hydratatie en het thixotrope gedrag in verse toestand was verzekerd door toevoeging van superplastificeer - der en niet-gehydrateerde microsilica. Kleur De vereiste kleur van de brug was romig beige. Dit is bereikt door op basis van wit portlandcement wit beton te maken en daarna een pigment toe te passen. Vooral het maken van wit UHSB was problematisch. De natuurlijke kleur van UHSB is immers donkergrijs, veroorzaakt door de aanwezigheid van microsilica. Nu moest met verschillende soorten microsilica worden geëxperimenteerd om de lichte kleur te bereiken en ook de sterkte van C200 te behouden. Verder moest een pigment worden toegepast voor het bereiken van de beige kleur. Het pigment vormt echter een zwakke schakel en vermindert de eindsterkte van het beton. De hoeveelheid pigment mag derhalve niet groter zijn dan 0,5% van het totale cementgehalte. De taaiheid en treksterkte van het beton Ultrabrug verlegt grenzen 8 2015 9 60 70 mortel C110/130 Ø 8 mmepoxymortel ankerbout M12/8.8-75 mm + ring 37/13/3 mm anker rails 165 rondlas 110 leuning element brugdek Ø 14 mm h Fcd Fz I fctd = fctd = ct c~ c0d c~ c0d Fcd x Fs, II Fs, I S, I s, II zI S, I s, II c0d = cud = 0,2% cmin, 2 As1 cmin, 1 zI As2 d1 d2 Ft, bres ~ 0 0 2 4 6 8 1 0 12 0 20 40 60 80 100 120140 Legenda kokerbalk met constante diepte kokerbalk met variabele diepte plaat dubbele T boog co m pos iet tuibrug c ant ieni frequentie [H z] spanwijdte [m ] De maximaal toelaatbare spanningen in de trekwapening met betrekking tot de maximale scheurwijdte zijn beperkt op dezelfde wijze als vermeld in EN 1992-1-1. Voor de berekening van de buigtreksterkte van een doorsnede in UGT, is de bijdrage van staalvezels in de trekzone van het beton verwaar - loosd. Aangenomen is dat de verdeling van de spanningen in de drukzone lineair zijn, zonder plastische herverdeling. Door de relatief brosse eigenschappen van UHSB is de maximale rek beschouwd op ongeveer 0,2% (fig. 12). De negatieve impact van willekeurige vezeloriëntatie kan de treksterkte van het beton verminderen. Dit is verrekend met een reductiefactor k, waarbij globale en lokale effecten van spanningen zijn onder - scheiden. Voor de brug in Eindhoven is een globale reductie- factor k = 1,75 gebruikt voor de gehele berekening. Computermodellen Het globale gedrag van de brug alsmede de lokale invloeden, zoals splijten, piekspanningen rond het ankerhoofd of de verde- ling van de spanning rond het wiel van onderhoudsvoertuigen, zijn beschouwd in computermodellen. Het gehele brugdek is gesimuleerd in twee modellen. Het eerste bestaat uit 1D-elemen- ten en het tweede uit 2D-elementen (fig. 13 en 14). Hierbij moesten de eerder beschreven materiaaleigenschappen worden ingesteld, omdat deze programma's niet rekenen met UHSB. De linkerkant van de vergelijking beschrijft de structurele omstandigheden zoals de modale massa (m n) of de modale demping ( c n) per eigenmodus. De rechterzijde geeft de belas- ting op de brug. Belastingen van voetgangers/joggers worden beschreven door een harmonische functie in combinatie met dompfunctie ( H (t)). In overleg met de opdrachtgever en conform voorschriften bleek de brug te voldoen aan de wensen en eisen. Richtlijnen Het ontwerp van deze brug werd gedeeltelijk beïnvloed door het feit dat er nog steeds een tekort aan begrijpelijke en betrouwbare codes en aanbevelingen is voor UHSB. Wil men volgens de Eurocodes ontwerpen, dan is dit slechts mogelijk tot betonsterkteklasse C90/105 (zeer-hogesterktebeton ZHSB; UHSB begint bij 150 MPa). Het streven was deze brug zo slank mogelijk te ontwerpen. Hiervoor is een hogere betonsterkte- klasse noodzakelijk. Hierbij zijn eigen rekenregels gehanteerd ? gebaseerd op proefbelastingen uitgevoerd door FDN ? samen met de Franse aanbevelingen (AFGC [3]). De constructie moest daarnaast worden getest om de opdrachtgever garanties te kunnen geven betreffende de veiligheid. Meer hierover verderop onder het kopje 'Testen'. Vanwege het ontbreken van richtlijnen bestond bij het ontwer - pen van deze brug de neiging conservatief te zijn op sommige aspecten. Scheurvorming in UHSB is bijvoorbeeld niet volledig beschreven en geaccepteerd in praktische richtlijnen. Dit was ook een probleem in het ontwerp van de brug Zwaaikom. Aangenomen werd dat de gehele doorsnede van het dek in de BGT op druk is belast op elk gewenst moment. Door deze aanname wordt de brug zeer duurzaam, maar anderzijds wordt het ontwerp meer conservatief. De trekspanningen in de UGT in het bovendek werden op gevangen op soortgelijke wijze als bij normaal beton met wapening. 10 11 12 Ultrabrug verlegt grenzen 8 2015 10 het hele element wordt in één keer gegoten trilltafelpiepschuim binnenkant om gewicht te besparen 4,4 m lang element voorspanningskabels houten matrijs 13 14 15 13 Verticale vervorming van het brugdek onder gelijkmatig verdeelde belasting volgens EN-1991-2 14 Momentdistributie in het bovenste dek onder de last - combinatie envelop met het onderhoud van de voertuigen 15 Opstelling voor het storten van een dek element; de rib in het midden van de doorsnede heeft geen noodzakelijke constructieve functie, maar maakt wel een betere controle van het storten van de onderste plaat mogelijk 16 Proefopstelling met waterbakken en doorbuiging metingen bij q = 4,3kN/m 2 17 Opstelling belasting met waterbakken en betonblokken op het dek UHSB is een bouwmateriaal dat speciale zorg nodig heeft tijdens de onverharde toestand. Er bestaat een relatief groot risico op scheurvorming als gevolg van autogene krimp. Omdat de brug is verdeeld in vijf kleinere elementen was er een betere controle op het mengen en het storten mogelijk en werd de kans op fouten verminderd. Omdat het materiaal thixotroop is, is het alleen verwerkbaar onder een aanzienlijke toevoer van energie via trilling. De mallen werden derhalve op een triltafel gefixeerd en met zes trilmotoren getrild. Elk element is in één stort gemaakt, dit om stortnaden en de ontwikkeling van ongewenste spanningen in het dek te vermij- den. Het gehele element is ondersteboven gestort en later omgekeerd (fig. 15). Een van de redenen hiervoor was een betere controlemogelijkheid van het beton tussen de voorspan- elementen en ankers. De tweede reden was dat de geprofileerde rubbermatten op de bodem van de mal konden worden geplaatst ten behoeve van profilering van het dek en uitsparen van benodigde asfalt- of slijtlagen op het dek voor stroefheid. Omdat de tijd tussen het mengen en het storten niet langer dan 20 tot 30 minuten bedroeg, is ten behoeve van de verwerkbaar - heid een vertrager toegepast. De keuze van de productieplaats is dus van essentieel belang. Verder mag de temperatuur van de productieplaats niet hoger zijn dan 30 °C, anders moeten aanvullende voorzorgsmaatregelen worden getroffen om te voorkomen dat overmatig scheuren van de betonoppervlakte ontstaat. Het beton is zoals gebruikelijk voor UHSB gestort uit een kubel vanaf een hoogte van ongeveer 1 m. Deze grote hoogte geeft een betere verdichting van het beton. De oriëntatie van de vezels is willekeurig en er is geen speciale aandacht gegeven om een homogene verdeling te verzekeren. De brug is geproduceerd zonder enige thermische behandeling. Alleen op het stortvlak werd curing compound gespoten en gladgestre- ken, en werd bedekt met een plastic zeil direct na het storten. Leuning De leuningelementen zijn gemaakt in sterkteklasse C150/180. De hoofdmal is gemaakt van hout. De openingen tussen de steunen zijn gevuld met polystyreenblokken (PS) om de krimp te kunnen weerstaan zonder vastklampen bij ontkisten. Vanwege de complexe vorm van de sparingen, moest een auto- matische snijmachine worden gebruikt voor de productie van PS-blokken. Verschillende trilmotoren werden aan de mal gehecht. Productie Dek Het brugdek bestaat uit vijf gesloten, geprefabriceerde elemen- ten, die later tegen elkaar zijn geplaatst op een ondersteunings- constructie en nagespannen door een voorspansysteem. Er zijn drie identieke, tussenliggende elementen en twee eindelementen met een vaste eindbalk met de ankerhoofden. Vanwege de boog en constante kromming over de gehele lengte van het dek, was slechts één mal nodig voor de productie. De tussenelementen werden uitgevoerd door het plaatsen van een schot in de mal. Uz [mm] my-max [kNm/m] 0,1 -4,0 -8,0 -12,0 -16,0 -20,0 -24,0 -28,0 -32,0 -36,0 -40,0 -44,0 -48,0 -54,6 14,61 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 -1,65 Ultrabrug verlegt grenzen 8 2015 11 L = 22 130 38003500 waterbak max. 3853 L 0,25 L 0,25 L 0,25 L 0,25 L 17 mm 27 mm 18 mm 18 mm 28 mm 18 mm 16 17 ? REFERENTIES 1 Falbr, J., Berekeningsrapportage brugdek UO - Officieel document van Zwaaikom brug. Amsterdam, 2014. 2 Falbr, J., 3D Computermodellen - Officieel document. Amsterdam, 2014. 3 AFGC / SETRA, Ultra-High Performance Fibre-Gewapend beton - aanbe - velingen. Frankrijk, 2013. 4 Beers F., Buur M., Dynamische Berekening Zwaaikom - Dynamiek van Zwaaikom brug. Amsterdam, 2014. 5 Burdet, O.L., Corthay, S., Dynamische Testen Load Zwitserse Bruggen. Zwitserse Federale Instituut voor Technologie, Lausanne, Zwitserland. Testen Wegens gebrek aan relevante codes en aanbevelingen met betrekking tot ontwerpen met UHSB in C200, waren aanvul- lende testen nodig om de veiligheid te kunnen garanderen. In dit project eiste de opdrachtgever zowel laboratoriumtesten als full-scale-testen van de gehele brug. De meeste aandacht is daarbij besteed aan de definitieve kleur van beton, de romige beige tinten. De full-scale-test werd opge- steld in de fabriek om de doorbuiging van het brugdek te controleren. Dit is gedaan door toepassing van een gelijkmatig verdeelde belasting van 4,3 kN/m 2 (BGT). Daartoe zijn water - bakken met betonblokken op de brug geplaatst (fig. 16 en foto 17). De doorbuigingen van het dek zijn gemeten en verge- leken met de berekende waarden. Daaruit bleek dat de bereke- ningen voldoende veilig waren. Conclusie Dit project heeft aangetoond dat UHSB kan concurreren met traditionele materialen. De initiële kosten zijn vergelijkbaar en de uitzonderlijke duurzaamheid en lage onderhoudskosten geven het materiaal grote voordelen gedurende de levensduur van 100 jaar. Verondersteld werd dat prefabricage de meest effectieve manier van bouwen zou zijn voor UHSB vanwege de slechte verwerkbaarheid. Bij dit project is echter aangetoond dat door toepassing van superplastificeerder de verwerkbaar - heid aanzienlijk kan worden verlengd en zelfs het brugdek in een stort storten tot de mogelijkheden behoort. ? PPROJECTGEGEVENS opdrachtgever Gemeente Eindhoven architect FDN engineering FDN Engineering uitvoering FDN Construction productie brugelementen Veluwe Beton leverancier betonmortel WPE Duitsland betontechnologisch advies Peter Buitelaar Consultancy Informatie Voor meer informatie over onderhoudsvrije UHSB-bruggen ga naar www.ultrabrug.nl . Ultrabrug verlegt grenzen 8 2015