nummer 3 2013

2

Design in de GWW

In het kader van slank(er) ontwerpen is een casestudy opgezet waarin de eigen-schappen van ultrahogesterktebeton voor toepassing op een verkeersbrug worden onderzocht. Doel is om aan de hand van een ontwerp in traditioneel beton (C53/65) inzicht te krijgen in de grenzen van een vezelversterkt UHSB-ontwerp (C130/150). De vergelijking is opgesteld voor een viaduct opgebouwd uit geprefabriceerde voorgespannen kokerliggers met een dekbreedte van 15 m. Het onderzoek richt zich op de reductie van de betondoorsnede en daarmee op de besparing op het eigen gewicht en op de slankheid (de overspan-ning ten opzichte van de hoogte van de ligger). Bij de casestudy zijn verschillende uitgangspunten gebruikt die zijn onder-verdeeld in algemene uitgangs punten die voor beide ontwerpen van toepassing zijn en uitgangspunten alleen voor een UHSB-ontwerp.

Algemene uitgangspunten- Wegverkeersbrug met belastingen

conform Eurocode belastingmodel LM1;

- Geprefabriceerde voorgespannen kokerliggers met breedte van 1,48 m;

- Breedte van het brugdek 14,8 m met randafstanden van 0,61 m en 1,26 m;

- Statisch bepaalde liggers; - Controles gebaseerd op Eurocode 2 deel

bruggen inclusief de Nederlandse Nationale Bijlage.

Uitgangspunten voor UHSB- Materiaaleigenschappen zijn berekend

met fib Model Code 2010 [1];- Het positief effect van de staalvezels op

de toelaatbare trek is niet beschouwd;- Voor de soortelijke massa is uitgegaan

van 27,5 kN/m3. Dit is inclusief de aanwezige voorspanning;

- Vanwege de verlaagde permeabiliteit is er nauwelijks een dekking benodigd op het voorspanstaal uit duurzaamheids-oogpunt.

Invloed dekkingUltrahogesterktebeton heeft een permeabi-liteit die een factor 10 tot 100 lager is dan traditioneel beton. Hierdoor is er vrijwel geen dekking nodig voor de bescherming van het voorspanstaal tegen indringing van schadelijke stoffen, zoals CO

2 en chloriden.

Daarnaast is de maximale korreldiameter van het toeslagmateriaal circa 4 tot 8 mm, afhankelijk van de soort UHSB. Hierdoor wordt de toe te passen dekking bepaald uit de aanhechteigenschappen en splijten van het beton in het verankeringsgebied. Door

het onthechten van diverse voorspanstren-gen en de door de staalvezels verhoogde (splijt-)treksterkte kunnen ook deze afmetingen worden beperkt. De toeslag op de dekking (Δc

dev = 5 mm) in verband met

de uitvoeringstolerantie blijft uiteraard wel gehandhaafd. Door bovenstaande is in de casestudy een minimale dekking van c

min= 1,5×Ø=24 mm toegepast, die waar-

schijnlijk na onderzoek nog verder kan worden gereduceerd. Echter, met de aangehouden dekking op de voorspanning is het nog mogelijk om een betonstaalnet van Ø8 of Ø10 ten behoeve van dwarskracht en wringing in de dekking op te nemen. Hoewel het aannemelijk is dat door de aanwezigheid van de staalvezels in het beton deze (grotendeels) achterwege kan blijven.

CasestudyIn de huidige praktijk (zie foto 1) worden veelal kokerliggers toegepast met een constructiehoogte van 1 m tot 1,6 m. Hiermee kunnen overspanningen van circa 30 tot 45 m worden gerealiseerd voor wegverkeersbruggen met belastin-gen volgens de Eurocode. In de casestudy is gekozen voor een gemiddelde koker-ligger met een constructiehoogte van 1300 mm en een liggerlengte van 39 m.

Met vezelversterkt ultrahogesterktebeton(UHSB) kunnen bruggen lichter en slanker ontworpen worden dan met traditioneel beton. Voordeel in het gebruik van UHSB ligt in de verhoging van de drukcapaciteit, de toename van de elasticiteitsmodulus

en de toename van de trekcapaciteit. Daarnaast heeft dit materiaal een sterk verlaagde permeabiliteit en daarmee een extreem verhoogde duurzaamheid.

Ultrahogesterktebeton

Slank ontwerpen van een verkeersbrug met UHSB

Foto 1: Inhijsen van traditionele kokerligger (bron: https://beeldbank.rws.nl)

nummer 3 2013

3

Op dit moment zijn de langste toegepaste kokerliggers circa 60 m met een construc-tiehoogte van 2 m. In beide gevallen is de slankheid (het quotiënt van de lengte en de constructiehoogte) ongeveer 30.Omdat UHSB een (veel) hogere prijs per m3 heeft dan traditioneel beton, is een besparing van de hoeveelheid beton (zie figuur 1) wenselijk. Op basis van de ‘standaard’ afmetingen van traditionele kokerliggers is de dikte van lijven en flenzen gereduceerd. Dit is mede moge-lijk door de verlaging van de benodigde dekking op het voorspanstaal. De hart-op-hart-afstand van de voorspan-strengen is op 50 mm aangehouden. Het maximale aantal strengen dat in de betondoorsnede past, is hierdoor bepaald.Als een extra laag voorspanning in de onderflens wordt toegepast, zou deze flensdikte toenemen. Daardoor nemen het eigen gewicht en de kosten ook toe. Vanwege de grote drukcapaciteit van de UHSB is het echter wel mogelijk om nog meer voorspanning toe te passen. Dit biedt een mogelijkheid voor het toepassen van externe voorspanning in de holle ruimte van de koker. Deze mogelijkheid van de externe voorspan-ning is ook in de vergelijking opgenomen.Met de methode Guyon-Massonnet is bepaald welke kokerligger door de som van rustende belasting en wegverkeers-belasting volgens belastingsmodel 1 (LM1) van de Eurocode maatgevend is. Door de aangehouden randafstand van slechts 0,61 m, die overeenkomt met een midden-berm zonder inspectiepad, is de buitenste ligger aan deze zijde maatgevend. De diverse ontworpen liggers zijn in de uiterste grenstoestand en bruikbaarheids-grenstoestand gecontroleerd op buiging. Hierbij is getoetst aan de eisen conform de Eurocode betonbruggen, inclusief de nationale bijlage. In de controles is geen rekening gehouden met de door de staalvezels aanwezige (equivalente) buigtreksterkte. Het ontwerp in vezel-versterkt UHSB kan dus nog beperkt worden geoptimaliseerd.

Resultaten De belangrijkste parameters van de zeven verschillende bekeken ontwerpen zijn samengevat in tabel 1. Uit de casestudy is gebleken dat een ontwerp van een geprefabriceerde kokerligger in vezelversterkt ultrahoge-sterktebeton tot circa 25 procent slanker is. Bij dezelfde constructiehoogte kan de

overspanning dus ongeveer 25 procent groter worden (zie figuur 2). Andersom kan bij een gelijke overspanning de constructiehoogte worden verminderd, zodat hellingbanen/taluds korter kunnen. Bovendien is het eigen gewicht in UHSB slechts circa 60 procent van een ligger in traditioneel beton met dezelfde overspanning. Dat resulteert in een besparing op de onderbouw en funde-ring. Bovendien is het materiaal uit-stekend geschikt als architectonisch (schoon) beton.De uitgevoerde casestudy is slechts een onderzoek naar de haalbaarheid en invloed van vezel versterkt UHSB op toepassing in wegverkeersbruggen opgebouwd uit geprefabriceerde liggers.

Omdat het materiaal specifieke eigen-schappen heeft, kan de vorm van de doorsnede samen met de toepassing van externe voorspanning worden geoptima-liseerd. Dit zal naar verwachting resulteren in nog slankere ontwerpen en reductie van het eigen gewicht en daarmee besparing van het materiaal. n

Ir. M. Kortenaar (Michel), ir. R.P.H. Vergoossen

(Rob), Royal HaskoningDHV

Referenties

1 Fib Model Code 2010 final draft, volume 1,

maart 2012, ISBN 978-2-88394-105-2 en volume

2, april 2012 ISBN 978-2-88394-106-9, Inter-

national Federation for Structural Concrete (fib),

Zwitserland.

Figuur 1 Verschil in doorsnede kokerligger in traditioneel beton C53/65 (links) en in UHSB (rechts)

Figuur 2 Relatie overspanning constructiehoogte kokerprofiel (‘draaggrafiek’) voor traditioneel beton

en UHSB met en zonder externe voorspanning

Materiaal Hoogte [m]

Externe vsp Overspanning [m]

Gewicht [ton]

Slankheid [L/H]

Traditioneel 1,3 Nee 38,5 90 30

Traditioneel 1,6 Nee 45 120 28

Traditioneel 2,0 Nee 58,5 160 29

UHSB 1,3 Nee 47 75 36

UHSB 1,3 Ja 50 80 38

UHSB 2,0 Nee 70 170 35

UHSB 2,0 Ja 72 180 36

Tabel 1 Resultaten casestudy

C53/65 UHSB UHSB+extern