Platform Voegovergangen en Opleggingen · mijn presentatie op de betonberekeningen die gedaan...

1

Platform Voegovergangen en Opleggingen

Constructieve aspecten Voegovergangen

Ir. Dick G. Schaafsma

•Voormalig lid van de vakgroep Voegovergangen en Opleggingen van de

Bouwdienst van Rijkswaterstaat

•Voormalig lid van de EOTA werkgroep verantwoordelijk voor het opstellen van

ETAG 032 Expansion Joints, deel Nosing Joints

•Lid van NEN-commissie 351 001 01 05 Brugbelastingen

•Lid van NEN-commissie 351 001 09 TGB Betonconstructies

2

Platform Voegovergangen 9 november 2011Rijkswaterstaat

Inleiding

De berekening en uitvoering van de aansluiting van de voegovergang aan de (bestaande) betonconstructie leidt tot veel discussies.

Het lijkt verstandig om de berekeningen bij het ontwerp van de standaardvoeg van rijkswaterstaat nog eens tegen het licht te houden en bovendien de nieuwe ontwerpberekeningen van de pas gerealiseerde vingervoegen te beschouwen.

Mijn uitgangspunten zijn:

– Enkelvoudige voegovergangen; Leidraad/Stappenplan; d.d. maart 2006

– Eisen voor voegovergangen NBD00710; d.d. januari 2007

– Eisen voor enkelvoudige voegovergangen NBD00400; d.d. februari 2006

De laatste tijd bestaan er wat zorgen bij de constructeurs van Rijkswaterstaat over de inbouw van nieuwe voegen in bestaande constructies. Collega’s van

Rijkswaterstaat hebben inhoudelijke discussies met hun ‘counterparts’ bij de

aannemer over de veiligheid en duurzaamheid van vingervoegen in onze

belangrijke rivierbruggen.

Deze vingervoegen worden ingebouwd ter vervanging van de meervoudige

lamellenvoegovergangen in:

-Brug Katerveer over de IJssel in rijksweg A28

-Brug Deventer over de IJssel in rijksweg A1

-Martinus Nijhofbrug over de Waal in rijksweg A2

-Brug Empel over de Maas in rijksweg A2

e.v.a.

3


Inhoud

• Berekening standaardvoeg van Rijkswaterstaat

• Berekening recente vingervoeg

• Risico’s bij de uitvoering

• Stellingen

Omdat ik niet veel ervaring heb met de berekening van voegen, ligt de focus van mijn presentatie op de betonberekeningen die gedaan moeten worden. Op dit

moment is de praktijk dat de berekening van het stalen gedeelte van de voeg

(alsof het prefab, c.q. een standaard product betreft) bij de fabrikant gebeurd. In

de regel wordt deze berekening in het buitenland gedaan op basis van

functionele eisen en de richtlijn NBD00400 “Eisen voor enkelvoudige voegovergangen”. De praktijk leert dat de buitenlandse constructeur geen weet

heeft van de constructie waarin de voeg wordt ingebouwd. Dit raakvlak moet

derhalve geborgd worden door de constructeur in Nederland.

Om een goed beeld te krijgen van het krachtenspel in een voeg heb ik eerst de

berekening van de standaardvoeg zoals deze is ontwikkeld door Rijkswaterstaat

beschouwd.

Vervolgens zijn de meest recente berekeningen van de vingervoeg bekeken.

Aan de hand van foto’s die gemaakt zijn van de inbouw van deze vingervoeg in

een bestaande constructie zijn een aantal constructieve risico’s onderkend.

Tenslotte eindigt mijn presentatie met een aantal stellingen.

4


Berekening standaardvoeg; stap 1

Te berekenen/controleren onderdelen:

- (stalen klauwprofiel) - betonnen voegbalk (incl.wapening)

- (stalen strip) - koppelingswapening

- stripwapening

Een typische voeg bestaat uit een aantal standaard onderdelen.

In de meest abstracte vorm zijn deze onderdelen de volgende:

1) De ‘prefab’ voeg, die geassembleerd wordt bij de fabrikant. De standaard

voeg bestaat uit een min of meer waterdicht rubberprofiel, 2 slijtvaste

klauwprofielen, met daaraan bevestigd: een aantal stalen strippen met

daaraan wapening bevestigd;

2) 2 voegbalken, die de rol hebben de belastingen uit de (wapening van de)

voeg te transponeren op de (wapening van de bestaande) constructie. Hoewel de wapening aan de ‘prefab’ voeg links en rechts symmetrisch is, kan

de wapening van de twee voegbalken geheel verschillen, omdat deze

afhankelijk is van de wapening in de aanliggende constructie

3) Stekken uit de twee aanliggende constructie elementen aan weerszijde van

de voeg. Deze stekken komen overeen met de wapening in de aanliggende

constructie en kunnen wederom links en rechts totaal verschikllen.

De focus van mijn presentatie ligt bij het ontwerp en de berekening van de

stripwapening (links en rechts identiek), de voegbalken en de stekwapening

die de voegbalk koppelt aan de aanliggende constructies aan weerszijde van

de voeg.

5



Ontwerpeisen aan de voeg:

NBD00400, art. 5.1 Levensduureisen

“Tenzij anders aangegeven (..), dienen de zonder sloopwerk niet vervangbare onderdelen (..) een minimale levensduur van 40 jaar te hebben.”

NBD00400, art. 5.3 Verkeersbelastingen

“De statisch belasting dient bepaald te worden volgens bijlage 1. Bijlage 1 is gebaseerd op ENV 1991-3 + NAD, aangevuld met voor voegovergangen noodzakelijke eisen. (..) Het effect van de statische belasting dient te worden getoetst voor de meest ongunstige (=grootste) opening van de voeg.”

“De vermoeiingsbelasting dient bepaald te worden volgens bijlage 1. Het effect van de vermoeiingsbelasting dient te worden getoetst voor 60% van de grootste opening van de voeg.”

In principe heeft een voegenfabrikant voldoende aan deze twee eisen om zijngedeelte van de voeg te ontwerpen.

De eerste eis geeft de constructeur direct een aantal puzzels:

a) Indien een voeg ontworpen moet worden voor 40 jaar, dan zal zo’n voeg gemiddeld 2,5 (=2 à 3)maal in de levensloop van een brug vervangen moeten worden (ontwerplevensduur 100 jaar). De praktijk leert dat de ontwerper/constructeur hier geen rekening mee houdt.

b) 40 jaar is een nogal arbitraire waarde. De voorschriften kennen deze waarde niet. Een constructeur is gewend om een constructie te ontwerpen voor 50 jaar. In het algemeen zullen de duurzaamheidseisen (dekking, betonsamenstelling, etc.) hieraan worden ontleend

De tweede eis klinkt een beetje gedateerd

a) Ten eerste omdat we al geruime tijd werken met de NEN6706 (die binnenkort vervangen gaat worden door de NEN-EN 1991-2) Brugbelastingen. Deze normen geven een verkeersbelasting die behoort bij het verkeer op een rijksweg, met een overschrijdingskans van 5% in 100 jaar. Volgens NBD00400 moet altijd met deze belasting gerekend worden. Echter dezelfde normen staan toe om te reduceren voor kortere referentieperioden en wegen met een ander verkeersspectrum.

b) Ten tweede komt het vermoeiingspectrum in de ENV 1991-3 niet overeen met de huidige inzichten. Ondertussen is dit belastingmodel aangepast in de recentere normen.

6



• αQ1k = 300 kN (geen reductie!)

• PD-wheel = 150 kN

• S = 400 x 400 mm2

• Sj = (a+d) x 400 = 160 x 400 mm2

• Se = a x 400 = 80 x 400 mm2

• σcontact = 1,875 N/mm2

dmax = 80 mm

a = 2 x 40 mm

In principe moet een voeg berekend worden op 3 belastingen:

1) De verticale belasting uit één wiel (150 kN) of indien maatgevend, de verticale

belasting uit één as (300 kN)

2) De horizontale rembelasting die 40% ven de verticale belasting

3) Een horizontale kracht die wordt veroorzaakt door (i) de scheefstand van de

voeg, (ii) een centrifugaalkracht

Zoals eerder gezegd mag de genormeerde (100 jaars) asbelasting van 300 kNniet gereduceerd worden (maar ook niet vergroot).

Dit leidt tot een (onredelijk?) hoge belasting, die in geen verhouding staat tot wat wettelijk toelaatbaar is (ca. 120 kN/as).

Uit de som blijkt dat de belasting op het klauwprofiel ongeveer 19 bar bedraagt, ongeveer 2 x de aangeraden maximale bandenspanning.

7



Vrep = q x b x l / aantal strippen

= 10000 N

Hrep = 0,4 x Q / (2 x l) / aantal

= 20000 N

Mrep = V x e = 1100000 Nmm

Mrep = H x h = 4000000 Nmm

Ft,s,d = 45,5 kN

Ft,u,d = 72,4 kN => u.c = 0,62

Vermoeiing geen probleem.

Scheurvorming geen probleem.

55 mm

V

H

Voor de volledigheid is de berekening van de wapening aan de strippen bijgevoegd. Deze wapening is symmetrisch en bedraagt Φ20-200 (glad staal).

Aangezien de klauw voornamelijk horizontaal wordt belast (de verticale belasting

wordt alleen veroorzaakt door het kleine contactoppervlak van de klauw, terwijl

de horizontale belasting ook wordt veroorzaakt door de belasting op het asfalt

achter de klauw) gedragen de staven zich als een soort juk. Door de geringe stijfheid van de stalen voeg wordt maar een beperkt aantal wapeningsstaven

gemobiliseerd.

Bij een horizontale kracht van 0,4 x 150 kN een hoek tussen de twee

wapeningsstaven van 45 graden bedraagt de trekkracht in de diagonale

wapeningsstaaf ongeveer 1,35 (√2 x 0,4 x 150) / 2 staven = 57 kN (in de

berekening 72,4 kN)

8


Berekening standaardvoeg; stap ?

Wringing in voegbalk

Volgens NEN 6720

De benodigde robuustheid/sterkte van de voegbalk wordt bepaald door de capaciteit van de aanliggende constructie. Het is daarom vreemd dat hier in de

berekening van de standaardvoeg zo weinig aandacht aan wordt geschonken.

De koppeling/stekwapening waarmee de voegbalk vast zit aan de aanliggende

constructie komt overeen met de wapening in de aanliggende constructie. Meer

wapening heeft geen zin, minder wapening is vreemd. Aangezien deze wapening in het algemeen kleiner is dan Φ20-200 van de voegwapening dient de belasting

over een grotere lengte van de voegbalk gespreid te worden. Om de horizontale

belasting op te nemen is hiervoor torsiecapaciteit van de voegbalk noodzakelijk.

In die gevallen dat de toelaatbare schuifspanning (let op: door krimp van de voegbalk staat de balk permanent onder trek en moet de toelaatbare

schuifspanning gereduceerd worden) onvoldoende is moet de voegbalk voorzien

worden van beugels en flankwapening. In zekere zin zou de wapening van de

voeg (in het verlengde van de twee staven die al direct worden aangesproken door de horizontale belasting) als beugels gezien kunnen worden. Dan behoeft

enkel nog een minimaal aantal van 3 à 4 staven binnen deze beugels

aangebracht te worden.

9



Berekening ingeboorde wapeningsstaven

Ft,s,d = 47 kN

Fv,s,d = 16 kN

(glad staal Φ16, boorgat 21

S = 200 mm, B45)

Overdrachtslengte: 363 mm

De stek/koppelwapening wordt gedicteerd door de wapening in de aanliggende constructie. In de berekening die gemaakt is voor de standaardvoeg wordt deze

wapening voornamelijk bepaald door vermoeiing. De overdrachtslengte wordt

bepaald door de betonsterkteklasse. Op de risico’s die hiermee gepaard gaan

kom ik later terug.

10


Berekening vingervoeg

Dit is de vingervoeg die recentelijk gemaakt is voor de Martinus Nijhofbrug over de Waal bij Zaltbommel. Opvallend zijn de twee voorspanbouten die ervoor

zorgen dat het vingervoegprofiel (een gekamde stalen plaat) altijd onder druk

op de voegbalk wordt gehouden.

Om een dilatatie te overbruggen van 240 mm is een vingerplaatdikte van 40 mm

nodig. De spankracht in de voorspanbout bedraagt 50 kN. De capaciteit van

de kracht die in het beton kan worden opgenomen wordt ontleend aan twee

mechanismen:

1) De drukkracht die ter plaatse van de moer kan worden opgenomen (NEN-EN

1992-1-1 art. 6.7)

2) De aanhechting van de bout aan het beton (NEN-EN 1992-1-1 art. 8.4.2)

Het is nog maar de vraag of deze twee mechanismen bij elkaar kunnen worden

opgeteld, maar hoe dan ook zonder splijtwapening is hier minimaal C50/60

voor nodig.

11



De meest ongunstige situatie treedt op als een wiel op de rand van een vingerplaat staat. Wellicht treedt een nog ongunstiger situatie op als een wiel half

op één plaat staat en half op een andere plaat. De arm van de bouten is dan nog

iets kleiner.

12



De horizontale kracht is ook hier 40% van de wielbelasting (60 kN). De totale belasting van een as op een vingerplaat bedraagt 1,35 x 2 x 60 = 162 kN

13



14



Alvorens men eisen kon stellen aan de voegbalk heeft de Nederlandse constructeur hier de aanbevolen koppelwapening doorgestreept en heeft een

zinvolle stekwapening die passend is bij de aanliggende constructie ontworpen.

Gekozen is voor een voorste rij verticale wapening Φ16-200 op 55 mm van de

voorkant van de constructie. Daarbij is nog een tweede rij verticale wapening op

255 mm van de voorste rij ontworpen. Tevens is een horizontale rij gemodelleerd op circa 200 mm vanaf bovenkant asfalt. Hetgeen ook ongeveer uitkomt op 50 à

60 mm van bovenkant beton. Dat het modelleren van wapening op deze manier

risico’s loopt lijkt evident, omdat alle rijen wapening precies in het vlak van de

bestaande wapening vallen.

15



In tegenstelling tot de constructeur van de vingervoeg, heeft de Nederlandse constructeur de wiellast midden op een vingerplaat gezet om zo maximaal te

kunnen spreiden. Gezien het stijfheidsverschil van voegbalk en vingerplaat zal de

voegbalk door middel van torsie de belasting naar de aanliggende constructie

spreiden. Temeer omdat de constructeur van de vingervoeg al had aangetoond

dat de belasting door middel van 2 voorspanbouten wordt overgebracht naar de voegbalk.

16



Nogmaals de gemodelleerde maten van de koppelings/stekwapening.

17



Zo rekenend vindt men in de horizontale wapeningsrij een kracht van 180 kN en in de voorste verticale “wapeningsrij” een drukkracht van 270 kN.

18



Wringing

Td = 0,25 Md = 11,4 kNm

Wt = 1/6 bh²/(1+0,6b/h) = 9500 cm³

Schuifspanning = 1,2 N/mm²

Toelaatbare schuifspanning = 0,3fb = 1,2 N/mm2

(zonder rekening te houden met eventuele krimpspanningen!)

Wellicht zijn beugels (haarspelden) en langswapening nodig!

Omdat het moment in de vingerplaat (Md = 45,6 kNm) door middel van twee voorspanbouten wordt overgebracht naar de voegbalk. Moet de voegbalk in

zoverre het moment niet direct kan worden overgebracht naar de aanliggende

constructie middels torsie overgebracht worden in het verlende van de voegbalk.

In dit geval waren 4 wapeningsrijen voldoende om de kracht naar de rest van de

constructie over te brengen. Aangezien 2 wapeningsrijen direct onder de belasting liggen dient de rest via torsie te worden overgebracht. ¼ naar links en

¼ naar rechts. De schuifspanning die hiermee gepaard gaat bedraagt 1,2

N/mm2. Dit is veel groter dan sterkteklasse C50/60 kan opbrengen (=0,87

N/mm2). Normaal gesproken zijn beugels en flankwapening nodig. Omdat de

aannemer geopteerd heeft voor staalvezelbeton is dit wellicht niet nodig.

19


Risico’s bij de uitvoering

Risico nummer 1: de ingeboorde wapening kan niet op de juiste plek worden aangebracht

Al eerder was aangegeven dat de wapeningsrijen van de koppelwapening exact waren gemodelleerd in het vlak van de bestaande wapening in de constructie.

Waar dit toe leidt geven deze foto’s aan. Er bestaat dan een reëel risico dat de

wapening niet op deze plaats kan worden bijgeboord. Nog belangrijker: het

behoeft niet de eerste keer te zijn dat een voeg bij deze brug wordt vervangen.

Op z’n minst kan je stellen dat het beton ‘aangetast’ is. In dit geval moest de wapening zowel bij de horizontale rij, als de voorste verticale rij verplaatst

worden.

20



In bovenstaand schema heb ik dat nog eens aangegeven. De horizontale wapeningsrij H werd meer naar beneden verplaatst. En de voorste verticale

wapeningsrij werd meer naar binnen geplaatst. Omdat eerder is aangetoond dat

deze rij in feite het zwaartepunt van de drukkkracht in het beton betreft, is het

nog maar de vraag of het schadelijk is dat deze rij wapening verplaatst is.

21



Een gemiddelde verschuiving van 5 cm levert een 25% hoger moment

In de berekening zouden deze waarden ook aangepast moeten worden. Hetgeen leidt tot een 25% hogere belasting op de wapening. Dat dit in de toekomst

(vermoeiing, waterdichtheid) tot problemen kan leiden is duidelijk.

22


Stellingen

1. De huidige leidraad is niet voldoende om een goede (=éénduidige) berekening te maken.

2. De in rekening te brengen wiellast (150 kN) is te groot.

3. De eisen die gesteld worden aan de voegbalk zijn onderbelicht.

4. Vooral bij voegen die in een bestaande constructie worden gebouwd is een materiaalfactor van 1,5 noodzakelijk.

Tenslotte een aantal stellingen die ik gaande de voorbereiding van mijn presentatie heb opgesteld.

Bedankt voor uw aandacht.

Platform Voegovergangen en Opleggingen · mijn presentatie op de betonberekeningen die gedaan...

Documents

Transcript of Platform Voegovergangen en Opleggingen · mijn presentatie op de betonberekeningen die gedaan...