18 Verbreding kokerbrug Holendrecht 1 Meesterproef met onderzoek en ontwerp verbreding bestaand betonnen kunstwerk Verbreding kokerbrug Holendrecht 8 2017 19 Onderdeel van de weguitbreiding Schiphol-Amsterdam- Almere (SAA) is de uitbreiding van de A9 Holendrecht- Diemen (Gaasperdammerweg). Voor een goede doorstroming van het verkeer is het daarbij noodzakelijk ook knooppunt Holendrecht (A2/A9) uit te breiden. Zo worden onder meer de twee bestaande verbindingsbogen die over de A2 gaan, uitgebreid met extra rijstroken. Om hier ruimte aan te bieden, moet de noordelijke verbindingsboog van de A9 aan de zuid- zijde met circa 4,5 m worden verbreed en aan de noordzijde met circa 6,5 m. Deze uitbreiding is in het kader van een meesterproef nader onderzocht en ontworpen. Opzet meesterproef Het afstudeerrapport is opgezet als een constructief berekenings- rapportage waarbij het ontwerp is uitgewerkt conform de Euro- codes EN1990/1991/1992, de NEN 8700-serie en de richtlijnen van Rijkswaterstaat (ROK1.2 en RBK1.1). De architectonische eisen uit de vraagspecificatie zijn losgelaten ten behoeve van de ontwerpvrijheid in de variantenstudie. Achtereenvolgens zijn in de rapportage de navolgende onderdelen op systematische wijze uitgewerkt: ? vaststellen van de uitgangspunten en toetsingscriteria op niveau nieuwbouw en verbouw voor beoordeling van zowel de bestaande constructie als de verbredingen; ? bepalen van de in rekening te brengen belastingen en vast- stellen van de belastingscombinaties; ? inventarisatie van de bestaande constructie waarbij de volgende onderdelen zijn beschouwd: - bepaling afmetingen en capaciteit bestaande constructie op basis van archiefgegevens; - bepaling gevolgen van koppeling van de verbreding aan de bestaande constructie, waarbij aan de hand van een gevoelig- heidsanalyse enkele varianten van de koppeling zijn beschouwd; ? variantenstudie voor een viertal mogelijke type verbredingen; ? definitief ontwerp voor de verbreding op basis van een trade- off-matrix gekozen beste variant. Bestaande constructie De bestaande constructie betreft een voorgespannen kokerbrug in de noordelijke verbindingsboog van de A9 die in 1979 is gebouwd (KW12 Alida). De kokerbrug heeft een totale lengte van circa 122 m verdeeld over zes overspanningen met een maximale overspanning van 27 m (fig. 2). De koker heeft een uitwendige hoogte van 1,5 m en een totale breedte van 14,5 m en biedt daarmee in de huidige situatie ruimte aan twee rijstro- ken plus een vluchtstrook. Op basis van archieftekeningen en -berekeningen is de geome- trie en de aanwezige voorspanning en wapening in kaart gebracht. Hieruit volgt dat de bestaande kokerbrug is uitgevoerd in betonsterkteklasse B37,5. Het brugdek is destijds gebouwd volgens de schuifmethode zodat ten behoeve van de bouwfase, Verbreding kokerbrug Holendrecht ing. Roland Snelders PMSE Heijmans Infra 1 Montage horizontaal gekromde kokerligger KW13 (Snipwijk) foto: CAV Multimedia B.V. ENCI Studieprijs 2016 Dit is het tweede artikel in een serie met bijdragen van prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2016. De studie 'Verbreding bestaande kokerbrug in knooppunt Holendrecht' die in dit artikel wordt beschreven, ontving de eerste prijs in de categorie 'Professional Masteropleidingen'. De jury over deze studie: "[?] Alhoewel gebruikgemaakt wordt van bestaande rekenmethodes, is de aanpak origineel te noemen. [?] De verschillende aspecten van de studie zijn heel systematisch aangepakt en in stappen op een gedreven wijze uitgewerkt. Gaande van de analyse van de bestaande brug, de vergelijking van de verschillende varianten en de uitwerking van het finaal gekozen ontwerp, dat bestaat uit in situ voorgespannen plaat - bruggen aan beide zijden van de bestaande kokerbrug. Alle berekeningen zijn zorgvuldig uitgevoerd en de resultaten zijn duidelijk gepresenteerd." Ook de examencommissie had veel lof voor de studie. Na verdediging is de meesterproef beoordeeld met het eindcijfer 9. Meer informatie op www.cementonline.nl/encistudieprijs . Als afronding van de opleiding Betonconstructeur PMSE is een meesterproef uitgevoerd gericht op het onderzoek naar, en het ontwerp van een verbreding van een bestaande kokerbrug in knooppunt Holendrecht. Door een constructief onderzoek van de bestaande constructie gevolgd door een uitgebreide variantenstudie voor de verbreding en verbinding, is op basis van een trade-off-matrix de beste optie voor de verbreding bepaald. Deze is verder uitgewerkt tot een definitief ontwerp voor de bovenbouwconstructie. Verbreding kokerbrug Holendrecht 8 2017 20 boven het gesloten gedeelte van de koker (het deel tussen de kokerwanden), is beoordeeld. De momentcapaciteit in dwarsrichting bleek niet te voldoen aan de onderzijde van het kokerdak en de boven- en onder- zijde van de kokervloer. Oorzaak hiervan is de toegenomen verkeersbelasting. Deze zorgt ten gevolge van de plaatsing in het midden van de koker tevens voor trek in de kokervloer. De momentcapaciteit van de koker in langsrichting en de dwarskracht- en wringcapaciteit in langs- en dwarsrichting voldoen wel. Versterking van het kokerdak en de kokervloer is een zeer arbeidsintensieve en kostbare operatie. Tevens is, zoals gezegd, de inwendige hoogte van de koker beperkt en gevuld met EPS zodat de mogelijkheden voor een versterking worden beperkt. Omdat in de nieuwe situatie op het kunstwerk een brede middenberm wordt gerealiseerd, die is gelegen boven het gesloten gedeelte van de koker, is langs de randen van de middenberm een vaste voertuigkering aangebracht. Hiermee is de aanwezigheid van verkeer ter plaatse van het midden van het kokerdak (m.u.v. een calamiteitensituatie) uitgesloten en is de verwachting dat daarmee de capaciteit voldoende is. met een continu veranderend momentenverloop, er centrische voorspanning in de gehele kokerdoorsnede is toegepast. Na gereedkomen is deze aangevuld met een continuïteitsvoor- spanning in de kokerwanden, zodat voor de eindfase beide voorspansystemen actief zijn (fig. 3). Bij deze bouwwijze is het brugdek gebouwd in elf moten bestaande uit elk twee stortfasen. De eerste stort betreft de vloer en de tweede stort het kokerdak en wand. Vanwege de beperkte inwendige hoogte van de koker van 0,95 m is als bekisting voor de tweede stort de binnenzijde van de koker volledig gevuld met EPS. Beoordeling bestaande constructie Voor de maatgevende overspanning zijn met behulp van deze constructiegegevens de doorsnedecapaciteiten bepaald door middel van diverse handmatige doorsnedeberekeningen. De (rest)capaciteit van de bestaande constructie is in kaart gebracht voor het veiligheidsniveau 'verbouw'. Hierbij is gebruikgemaakt van een eerder uitgevoerde herberekening van het kokerdak, waarbij een verkeersbelasting in een strook van 8,5 m breed (2 rijstroken + reststrook), gepositioneerd continuïteitsvoorspanning 2 Langsdoorsnede bestaande kokerbrug 3 Wapeningsconfiguratie bestaande kokerbrug 4 Mogelijke rijstrookindeling voor belastingsmodel 5 Belasting bij een verkeers- ongeval op het brugdek 2 3 centrische voorspanning Verbreding kokerbrug Holendrecht 8 2017 21 kunnen optreden door zettingen, maar ook door verkeer dat alleen op de verbreding aanwezig is. In het eerdergenoemde omschreven rekenmodel is alleen gekeken naar de krachtswerking in het overstek. Aanvullend is met behulp van een raamwerkberekening van de totale doorsnede de invloed van de stijfheidsverschillen tussen bestaand en nieuw beschouwd. Hierbij is rekening gehouden met twee verschillende type verbindingen en een variatie van stijfheidsverschillen. Tevens is een mogelijk gedeeltelijke sloop van het overstek beschouwd. Hieruit volgde dat door het behouden van de bestaande kokeroverstekken (uitkraging 3,0 m) en het realiseren van een scharnierende aansluiting, gebruik wordt gemaakt van de vervormbaarheid van het over- stek in dwarsrichting en dat de wederzijde krachtswerking ten gevolge van verticale belastingen wordt beperkt. Dit resulteert voor deze variant dan ook in een beperkte gevoeligheid van de samengestelde constructie ten gevolge van onderlinge stijf- heidsverschillen. Variantenstudie Naast het type verbinding is ook de uitbreiding zelf beschouwd. Voor vier mogelijke type verbredingen is een variantenstudie uitgevoerd. Voor elke variant zijn op basis van globale Met de controleberekeningen die in het definitief ontwerp zijn uitgevoerd voor de nieuwe situatie, blijkt dit ook het geval te zijn. Dit heeft wel tot gevolg dat er een restrictie geldt met betrekking tot de wegindeling op het kunstwerk, aangezien conform de ROK normaliter ook op middenbermen met verkeersbelasting moet worden gerekend in verband met toekomstvastheid (fig. 4 en 5). Verbinding bestaand ? nieuw Om de verbreding van het kunstwerk mogelijk te maken, moet het aan beide zijden worden uitgebreid met een nieuwe constructie. De bestaande en nieuwe constructie worden aan elkaar gekoppeld om voor de weggebruikers nadelige verschil- verplaatsingen te voorkomen. Hierdoor ontstaat er echter wel een uitwisseling van krachten, waarbij er ten gevolge van de verschillen in ouderdom door krimp en kruip tevens een herverdeling van spanningen zal optreden. Zo zal de voorspan- kracht in de nieuwe constructie gedeeltelijk wegkruipen in het bestaande deel en zal de verbreding naar verwachting gaan hangen aan de bestaande constructie. Er is daarom gekozen de verbredingen eerst zelfdragend te bouwen, waardoor elastische vervormingen ten gevolge van eigen gewicht en voorspanning ongehinderd kunnen plaatsvinden. Met behulp van een stort- strook zal vervolgens later de verbinding worden gerealiseerd. Hierdoor zal een gedeelte van de krimp- en kruipvervorming al optreden en worden de eerdergenoemde gevolgen van de verbinding gedeeltelijk beperkt. Keuze verbinding Om het type verbinding te bepalen, is een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd om de consequenties voor de bestaande constructie in beeld te brengen en een overwogen keuze te kunnen maken voor de uitvoering van de aansluiting. Op basis van een eenvoudig model van het kokeroverstek is de optredende krachtswerking bepaald ten gevolge van de verkeersbelasting en ten gevolge van een verschilbelasting tussen bestaand en nieuw. Hieruit volgt dat een momentvaste verbinding gunstiger is dan een scharnierende verbinding als het gaat om de krachts- werking ten gevolge van verkeer op het overstek. Deze is daar - entegen wel weer gevoeliger voor verschilverplaatsingen die 4 middenberm 3000 2400 3000 3000 5 3000 2400 3000 3000 2725 2725 1570 5 4 3 2 1 1 2 3 Verbreding kokerbrug Holendrecht 8 2017 22 van de verbinding. Op basis van de resultaten van de eerder- genoemde gevoeligheidsanalyse is in de variantenstudie per variant de keuze gemaakt hoe de verbinding wordt gerealiseerd. Deze varianten zijn in figuur 7 en tabel 1 uitgewerkt. Mede door de gedeeltelijke sloop van het kokeroverstek is bij de prefab varianten uitgegaan van een inklemming door het opnemen van de bestaande wapening in de stortstrook. Voor de in situ varianten is uitgegaan van een scharnier door het ontwerpberekeningen de calculatiehoeveelheden bepaald. Hierbij is rekening gehouden met de resultaten die volgen uit de voorgaande beoordeling van de bestaande constructie. Tevens is voor elke variant een omschrijving van de uitvoerings- methodiek en een globale kostenraming op basis van directe kosten opgesteld. Met behulp van een trade-off-matrix is zo een weloverwogen keuze gemaakt voor de variant die in het definitief ontwerp verder is uitgewerkt. Vier varianten De vier varianten voor de verbreding zijn: 1. uitvoering met prefab kokerliggers; 2. uitvoering met prefab railbalkliggers; 3. uitvoering als in situ voorgespannen plaat; 4. uitvoering als in situ kokerligger (fig. 6). Voor de prefab varianten is de dekbreedte van de verbreding groter dan voor de in situ variant. De krachtsverdelingscapaci- teit in dwarsrichting is voor de prefab varianten namelijk kleiner. Hierdoor is er voor gekozen het kokeroverstek gedeel - telijk te slopen zodat een hoge randbelasting op de buitenste prefab ligger wordt voorkomen. Verbinding varianten Elke dekvariant geeft andere mogelijkheden voor de realisatie Tabel 1 Eigenschappen verbinding vier varianten Variant Resultaten ontwerpberekening 1 Inklemming d.m.v. blinde verankering dwarsvoorspanning in stortstrook. Voorspankracht = ca. 400 kN/m. Sloop bestaand over b = 1,85 m. Nadeel: risico op optreden trekkracht in bovenflens bij te hoge weerstand nieuwe opleggingen. 2 Inklemming d.m.v. overlapping bestaande en nieuwe dekwapening in stortstrook (natte knoop verbinding). Sloop bestaand over b = 1,85 m. Voordeel: opvangen zeeg prefabliggers met in situ druklaag. 3 Scharnier d.m.v. in bestaande bovenflens te verlijmen dwars- en normaalkrachten dook (Ø12-100). Verlijmen staalstrips 50 x 3 h.o.h. 500 mm tegen onderzijde bestaande bovenflens. Voordeel: vervormbaar dus minder gevoelig voor verschilvervorming. Voordeel: beperkte sloopwerkzaamheden, dus bestaande dragende constructie blijft intact. 4 Scharnier d.m.v. in bestaande bovenflens te verlijmen dwars- en normaalkrachten dook (Ø12-200). Voordeel: slappere ondersteuning door nieuw dek, dus geen versterking bestaande bovenflens benodigd. 6 variant 1: prefab kokerliggers variant 2: prefab railbalkliggers variant 3: in situ voorgespannen plaat variant 4: in situ kokerliggers bestaand brugdek bestaand brugdek nieuw brugdek nieuw brugdek nieuw brugdek nieuw brugdek bestaand brugdek nieuw brugdek 5x prefab railbakliggers bestaand brugdek NAPnieuw brugdek 7x prefab railbakliggers nieuw brugdek 5x prefab kokerliggers nieuw brugdek 4x prefab kokerliggers NAP NAP NAP GWS ?4.130 GWS ?4.130 GWS ?4.130 GWS ?4.130 5556 5556 27249 27249 27249 27249 1300 8599 6539 + 3.541 11000 1743 12587 14662 500 5556 500 500 500 500 500 500 500 1300 1300 1300 1300 1300 1300 1300 5556 8599 14662 12587 6539 + 3.541 11000 8459 8459 6357 6357 20 20 2020 12587 12587 14662 14662 6694 6694 74617461 7461 7461 + 3.541 + 3.541 5500 5500 5500 11000 11000 2838 1248 1241 1200 1500 1500 10001000 900 VAR. (ca 4950)VAR. (ca 5300) VAR. (ca 6000) VAR. (ca 6300) 1250900 100 100 7239 Verbreding kokerbrug Holendrecht 8 2017 23 453 447 900 445 455 104 1 6 x 420 = 2520 91 9 948 4 x 500 = 2000 491 4 x 500 = 2000 10 41 2302 2178 4480 3286 31 98 6480 inboren en verlijmen van een dwars- en normaalkrachtendook, aangezien uit de eerdere gevoeligheidsanalyse volgt dat dit de voorkeursvariant betreft. Keuze Uit de trade-off-matrix volgt dat variant 3, de in situ voorge- spannen plaat, de beste variant is (tabel 2). Definitief ontwerp Het definitief ontwerp is uitgewerkt voor de bestaande koker die aan beide zijden is verbreed met behulp van een in situ voorgespannen plaat. Deze plaat heeft een constructiehoogte van 900 mm uitgevoerd in beton C55/67 en is voorzien van tien 12-strengs voorspankabels aan de noordzijde en zeven 12-strengs voorspankabels aan de zuidzijde (fig. 8). Er is een Tabel 2 Resultaten trade-off-matrix variantenstudie Variant 1 Variant 2Variant 3Variant 4 prefab kokerliggers h = 900 mm met dwars- voorspanning prefab railbalkliggers h = 1000 mm + druklaag h = 250 mmin situ voorgespannen plaat h = 900 mm voorsp. 10x VSL E6-12 zachtstaal 90 kg/m³in situ voorgespannen kokerligger h = 1200 mm vloer h = 0,25 m wand b min = 0,5 m dak h = 0,25 m voorsp. 4x VSL E6-22 zachtstaal 150 kg/m³ verbinding d.m.v. dwarsnaspanning verbinding d.m.v. opnemen wapeningverbinding d.m.v. inboren stekkenverbinding d.m.v. inboren stekken ? bovenbouw: 100% ? bovenbouw: 99%? bovenbouw: 82%? bovenbouw: 84% TOM-Score: 137 TOM-Score: 143TOM-Score: 119TOM-Score: 130 6 Varianten verbreding 7 Verbinding vier varianten 8 Voorspanning in voor- gespannen platen (aanzicht spatvlak) 8 7 variant 1 bestaande wapening behouden nieuwe haarspeld spanverankering nieuwe randwapening min. 500 323 variant 2 stekken uit druklaag bestaande wapening behouden min. 560/max. 1210 323 variant 4 in te boren stekken dwarskrachtdook 350 500 nieuwe haarspeld nieuwe randwapening stekken uit dek bestaande dekrand opruwen/boucharderen 200 100 100 variant 3 350 750 in te boren stekken dwarskrachtdook opsluitwapening bestaande dekrand opruwen/boucharderen 200 100 100 Verbreding kokerbrug Holendrecht 8 2017 24 1 2 3 4 5 6 7 15 9 13 17 2 1 2 61 0 14 18 2 2 3 71 1 15 19 23 4 812 16 20 9 Verloop kabel 17 (verticaal verschaald) in langsrichting 10 Normaalkracht t.g.v. verhinderde vervorming 11 SCIA-rekenmodel bestaande uit plaat- en schaalelementen 12 De eerste ligger van KW12 Alida wordt geplaatst foto: Rijkswaterstaat (ca. 50%) van de normaaldrukkracht uit voorspanning wegkruipen naar de bestaande constructie (fig. 10). Rekenmodel Ten behoeve van de bepaling van de krachtswerking is een SCIA-rekenmodel van de totale bovenbouwconstructie opge- steld. Vanwege het in rekening brengen van de onderlinge samenwerking en de krachtsverdeling in dwarsrichting, is daarbij gebruikgemaakt van een rekenmodel bestaande uit plaat- en schaalelementen. De opleggingen zijn ingevoerd als gekromd kabelverloop aangehouden met een nagenoeg constante verticale kromtestraal van circa 150 m voor de velden en 7,5 m ter plaatse van de tussensteunpunten (fig. 9). Uitgaande van tweezijdig spannen op de dekuiteinden bedraagt het maximale totale voorspanverlies ten gevolge van het gekromde kabelverloop in de eindfase circa 450 N/mm 2 indien de verbreding geheel zelfdragend los wordt gebouwd. Aanvullend zal ten gevolge van de verhinderde krimp- en kruipvervorming voor de periode t = 56 dagen tot t = ? door de verbinding van het nieuwe aan het bestaande deel een behoorlijk aandeel 9 10 11 verbreding noordzijde verbreding zuidzijdebestaande brug Verbreding kokerbrug Holendrecht 8 2017 25 kwam. Dit in verband met de bouwtijd en de beperking van de hinder voor het verkeer (zie kader 'Uitvoering in de praktijk'). Uit de opgestelde kostenraming bleken de prefab varianten echter duurder dan de in situ varianten vanwege de kostbare sloopwerkzaamheden van de kokeroverstekken inclusief de benodigde hulpconstructie ter bescherming van de onderdoorgaande A2. Een in de meesterproef niet nader beschouwde variant voor een prefab liggerdek waarbij de kokeroverstekken ook volledig worden behouden, heeft dan uiteindelijk ook geleid tot het door het projectteam gekozen ontwerp voor realisatie. De meesterproef heeft als een constructief zelfstandig project van VO- tot DO-fase wel geleid tot meer kennis en inzicht in de mogelijkheden van hergebruik en verbreding van bestaande constructies. ? verende knoopondersteuningen. De schematisering resulteert uiteindelijk in een compleet model opgebouwd uit twaalf segmenten ter benadering van de horizontale boogstraal van het kunstwerk (fig. 11). Een handmatige controle van de uitvoer van het complete model is zeer complex. Ter validatie zijn daarom tijdens de opbouw van het model tussentijdse controles uitgevoerd (m.b.v. een handberekening) voor diverse constructieonderdelen/modelleringen. Aanpassingen Op basis van de maatgevende krachtswerking zijn doorsnede- berekeningen uitgevoerd voor de toetsing van de bestaande constructie en zijn de nieuwe verbredingen gedimensioneerd. Het verhogen van de voorspankracht in verband met het verlies ten gevolge van de verhinderde vervorming, is niet rendabel. Daarom is ervoor gekozen ter plaatse van de maatgevende sneden bijlegwapening toe te passen. Als veilige bovengrens- benadering zijn de verbredingen tevens gedimensioneerd als geheel zelfdragend (dus los van de bestaande constructie). Praktijk Het project is inmiddels uitgevoerd met een prefab liggerdek en niet met een in situ plaat zoals uit de meesterproef naar voren 12 Uitvoering in de praktijk Van het project zoals het daadwerkelijk is uitgevoerd, is in Cement 2017 het artikel 'Kokerbruggen Holendrecht verbreed' verschenen. Dit artikel is te raadplegen op www.cementonline.nl. Verbreding kokerbrug Holendrecht 8 2017