8 VAKBLAD I 4 2015auteur ing. Theo Reijnen SAAonePrincipe en ontwikkeling van steigerloze vrijevoorbouwmethodeVrijevoorbouwmVrijevoorbouwmVrijevoorbouwmWanneer een brug niet met behulp van tijdelijkeondersteuningen kan worden gebouwd, biedtde vrijevoorbouwmethode uitkomst. Bij dezebouwmethode worden vanuit een basis, het`hamerstuk', ??n voor ??n betonnen motengerealiseerd. De methode bestaat al meer dantachtig jaar en heeft in die tijd een flinkeontwikkeling doorgemaakt.Bij de vrijevoorbouwmethode, ookwel vrije-uitbouwmethodegenoemd, wordt een brug in lengte-richting verdeeld en opgebouwd in eenaantal moten. Deze hebben een holledoorsnede en zijn in principe vangelijke lengte. De methode kan in eenaantal varianten worden toegepast: inter plaatse gestort beton, met prefabmoten en met stalen segmenten (even-tueel gecombineerd met een betonnendek). De methode is toepasbaar voorbruggen met (bijv. tuibruggen) en zon-der bovenbouw. Dit artikel beperkt zichtot de meest zuivere vorm van de vrije-voorbouwmethode: de in het werkgestorte variant zonder bovenbouw. Indeze variant worden de moten gestortmet behulp van een verplaatsbarebekisting met werkvlonders, die aantrekstaven wordt opgehangen aan een9VAKBLAD I 4 2015ethode belichtethode belichtethode belichtzogenoemde voor- of uitbouwwagen.Deze wagen hangt op zijn beurt aanhet reeds gebouwde deel van de con-structie (foto 1).Zodra een moot gereed is, wordt hijontkist en kan de voorbouwwageninclusief bekisting ??n mootlengte naarvoren worden geschoven. Het uitbou-wen gebeurt gelijktijdig aan beide zijdenvan de basis zodat er evenwicht is (fig. 2).Als een uitbouw een ander bruggedeeltebereikt, wordt de constructie geslotenmet een sluitmoot (fig. 3).ToepassingsgebiedDe belangrijkste eigenschap van hetbouwen van bruggen volgens de vrije-voorbouwmethode is dat er geen op degrond afgesteunde ondersteuningscon-structie wordt toegepast. De methodewordt daarom vooral bij bruggen overvaarwegen gebruikt, omdat kan wordengebouwd zonder noemenswaardigehinder voor de scheepvaart. Ook bovendiepe afgronden is de methode vaakeen goede oplossing. Met de bouwme-thode kunnen relatief eenvoudig eenmoten moten motenmoten hamerstukhamerstuk sluitmootvoorbouwwagen2Het uitbouwengebeurt gelijktijdigaan beide zijden3Bij vrije voorbouw wordt de brug opgedeeld in moten, eindigend met een sluitmoot10 VAKBLAD I 4 2015variabel verloop van de doorsnede enverschillende overspanningen binneneen brug worden gerealiseerd. Eennadeel van voorbouwbruggen is dat zerelatief zwaar zijn, zeker ten opzichtevan stalen bruggen. Dat heeft uiteraardook gevolgen voor de fundering. Vooralbij slappere ondergrond of in aardbe-vingsgebieden is de methode daarom inhet nadeel. Een ander nadeel is dat veelop de bouwplaats wordt uitgevoerd. Dithoudt een risico in met betrekking totde bouwsnelheid en veiligheid. Uitesthetisch oogpunt kunnen kleurver-schillen tussen de moten ontstaan.Bij de eerste toepassingen van hetsysteem, in de eerste helft van de 20eeeuw, waren de overspanningen nogredelijk beperkt. Maar mede door deverdere ontwikkeling van de voorspan-ning en het beton, zijn tegenwoordigrelatief grotere overspanningen te reali-seren. De methode is nu bij uitstekgeschikt voor overspanningen van 100tot ruim 200 m. Bij het grootste deelvan de Nederlandse vaarwegen blijftde breedte onder de 200 m en is debetonnen voorbouwbrug een primaalternatief voor stalen constructies.Dat inmiddels nog grotere overspannin-gen mogelijk zijn, is eind vorige eeuwbewezen in Noorwegen. Daar zijn driebruggen met een hoofdoverspanningvan circa 300 m gerealiseerd. Hetrecord1) is tot nu toe de `Stolmabrua'met een hoofdoverspanning van 301 m(foto 4).VoorspanningVoor de realisatie van voorbouwbruggenwordt gebruikgemaakt van voorspan-ning, zowel in langs-, dwars- als verticalerichting. De voorspanning in de langs-richting dient zowel voor het uitbouw-proces (uitkragingsvoorspanning) alsvoor de definitieve situatie(continu?teitsvoorspanning).Bij de eerste bruggen die met dezemethode werden gebouwd, werd nage-noeg uitsluitend met voorspanstavengewerkt. Met de verdere ontwikkelingvan voorspansystemen ging men overop het gebruik van voorspankabels. Deeerste voorbouwbrug in Nederland diemet kabels is gerealiseerd, is de IJssel-brug bij Zutphen. Sindsdien zijn bij allevoorbouwbruggen de langs- en dwars-voorspanning uitgevoerd met een kabel-systeem. Voor de verticale voorspanningwordt onveranderd gewerkt met staven,omdat deze ook worden gebruikt voorde verankering van de wagens.BetonmortelDe eerste voorbouwbruggen in Neder-land zijn uitgevoerd met een redelijkstandaard betonmengsel. Omdat bijdergelijke bruggen tussen de 80 en 90%van de verticale belasting bestaat uit heteigen gewicht, kan door slanker en lich-ter te construeren een aanzienlijkebesparing worden bereikt op de totalemassa van de brug en daarmee op debouwkosten. Om dit te bereiken, zijn erverscheidene mogelijkheden: de massabeperken door het toepassen van licht-gewichtbeton of door het gebruik vaneen beton met een hogere sterkteklasse.In eerste instantie is de besparing vooralgezocht in het toepassen van lichtbeton(volumieke massa tussen 1750 en 2000kg/m3). Hiervoor werden toeslagmate-rialen als Korlin, Liapor en later Lytaggebruikt. Korlin en Liapor zijn productenop basis van ge?xpandeerde klei. Liaporis bijvoorbeeld gebruikt bij de eersteStichtse brug. Lytag is een product opbasis van vliegas. De Pleijbruggen inArnhem zijn hiermee uitgevoerd. Echtervanwege het gebruik van vliegas was ernogal wat weerstand tegen het product.Bij de uitvoering van de bruggen metlichtbeton traden een aantal problemenop, waaronder het afspringen van schol-WeekcyclusKenmerkend voor de bouw van voorbouwbruggen is het zich herhalende proced?. Wanneer alles looptzoals gewenst, komt er aan elke zijde per week een moot bij. Bij de start is dat moeilijk realiseerbaar, maar naeen paar weken moet de weekcyclus haalbaar zijn. Een ideale weekcyclus bestaat uit de volgende stappen:? 1e dag: ontkisten t.p.v. voorspanankers, spannen voorspanning, verder ontkisten, verrijden wagens,opnieuw afstellen, bekisting aanpassen voor nieuwe moot, nieuwe kopschotten plaatsen;? 2e dag: wapening vloer en wanden aanbrengen, einde van de dag binnenkist uitschuiven en afstellen;? 3e dag: wapening en voorspankanalen/ankers aanbrengen;? 4e dag: idem;? 5e dag: idem plus voorspanstaal invoeren, bekisting afwerken/schoonmaken, indien mogelijk storten;? 6e dag: storten;? 7e dag: verharden, indien mogelijk start met werkzaamheden van 1e dag.In plaats van met twee wagens kan ook met vier of meer wagens tegelijk worden gebouwd. In dat geval verschiltde weekplanning per stel wagens om meer continu?teit in de verschillende werkzaamheden te verkrijgen.1) Tui- en hangbruggen die met de vrije voorbouw zijn gerealiseerd, en bruggen waarbij gedeeltelijk staal is toegepast buitenbeschouwing gelaten.4Stolmabrua in Noorwegen5Tweede Stichtse brug in aanbouwfoto: Rijkswaterstaat11VAKBLAD I 4 2015len tijdens het spannen. In de huidigeROK staat dan ook dat het verwerkenvan lichtbeton niet is toegestaan.Tegenwoordig zoekt men de besparingmeer in het toepassen van hogesterkte-beton, meestal in de range van C55/67tot C70/85. De Lekbruggen in Vianenzijn beide uitgevoerd in B65, de tweedeStichtse brug (foto 5) en de Dintelhaven-brug (foto 6) in Rotterdam zijn uitge-voerd in B85, evenals de brug over hetAmsterdam-Rijnkanaal bij Diemen (foto 1)die nu in uitvoering is (C70/85). Bij deStolmabrua is gekozen voor een combi-natie van hogesterktebeton (B65) enlichtbeton in hogere sterkte (60 N/mm2).UitvoeringOm goed inzicht te geven in de bouw-methode volgt nu een beschrijvingvan het bouwproces van een standaard-uitvoering: een enkele brug met eenhoofdoverspanning en twee zijover-spanningen (lengte circa 0,5xhoofdoverspanning, figuur 3). Er zijnook uitvoeringen waarbij de aanbrug-gen korter zijn dan de helft van dehoofdoverspanning, of waarbij eerstde aanbruggen op een ondersteuningworden gebouwd en alleen de hoofd-overspanning met uitbouwwagenswordt gemaakt.In de standaarduitvoering worden eerstbeide pijlers gebouwd, met daarop dehamerstukken. Deze hamerstukken wor-den op een `normale' ondersteuninggemaakt. De lengte van de hamerstuk-ken is zodanig dat daar bovenop de uit-bouwwagens kunnen worden geplaatst.Onder het hamerstuk worden naast dedefinitieve pijler, extra (tijdelijke) kolom-men geplaatst voor het borgen van hetevenwicht tijdens het uitbouwen (fig. 7).Vervolgens worden de uitbouwwagensgeplaatst, waarin de bekisting wordtafgemonteerd en wordt begonnen metde eerste moot.Voor een goed inzicht in het werkenmet deze wagens is het begrip in deindeling in de verschillende onderdelenvan de wagens van belang. In grote lij-nen is een uitbouwwagen opgebouwduit de volgende onderdelen (fig. 8):1.bovenconstructie2.bodemrooster en -plaat3.buitenbekisting4.binnenbekistingVoor de werking van de uitbouwwagenis vooral de bovenconstructie vanbelang. De belangrijkste onderdelenhiervan zijn (fig. 8):5.rangeerrails6.vakwerkspanten7.ankerdwarsbalkenDe bediening van de uitbouwwagengeschiedt met een groot aantal hydrau-lische cilinders (voor verwijzingen ziefiguur 9):? Borgmoercilinders A en B voor het(horizontaal) afstellen van de wagen.De gehele bovenconstructie wordthiermee horizontaal gezet.tijdelijke kolom6Bouw van de Dintelhavenbrugfoto: Rijkswaterstaat7Onder het hamerstuk worden extra (tijdelijke) kolommen geplaatst voor hetborgen van het evenwicht tijdens het uitbouwen8Opbouw uitbouwwagen9Detailopbouw uitbouwwagen12 VAKBLAD I 4 2015? De lange rangeercilinders C voor hetverplaatsen van zowel de rails als devoorbouwwagen.? De holle zuigercilinders D t.m. Gvoor het afstellen van bodemplaat,buitenbekisting en binnenbekisting.Voor het eerste segment worden deuitbouwwagens op het hamerstukopgebouwd en afgesteld. Allereerstwordt daarvoor de bovenconstructiehorizontaal gesteld, zodanig dat hijvrijstaat van de rangeerrails. Aan devoorzijde rust hij op de grote borg-moervijzels, aan de achterzijde wordthij met de constructie van ankerstan-gen en vijzels naar beneden gedrukt.Zodra de wagen horizontaal staat, kande bodemplaat op hoogte wordenafgesteld. Deze plaat is met hangstan-gen bevestigd aan de bovenconstructie.Met behulp van de kleinere vijzelswordt de juiste hoogte verkregen.Daarna worden de buiten- en binnen-bekisting afgesteld. Ook deze bekistingis met hangstangen verankerd in debovenconstructie. Het afstellen van dejuiste hoogte geschiedt op identiekewijze als bij de bodemplaat.Na het storten en voorspannen vanhet eerste segment wordt de wagenverplaatst naar de volgende positie.In grote stappen omschreven gaat ditals volgt:? allereerst geheel ontkisten, de bekis-tingen en de bodemplaat door mid-del van de vijzels laten zakken;? ankers door gereed betondekverwijderen;? de verankeringen van de rangeerrailsaan het betondek verwijderen;? met behulp van de lange rangeer-cilinders de rangeerrails verschuivennaar de nieuwe positie en verankeren;? extra controle uitvoeren op juisteverankering rangeerrails;? door middel van grote vijzels dewagen laten zaken: voor staat hij opde rails, achter hangt hij met rollenvast in de flens van de rails;? met behulp van lange rangeercilin-ders wagen vooruit schuiven naarnieuwe positie;? achterverankering aanbrengen enwagen met grote cilinders horizon-taal stellen;? bodemplaat en bekisting op hoogteafstellen;? verankeringen in bestaande vloeraanbrengen;? extra controle op alle verankeringen;? aanbrengen wapening, voorspanningen resterende bekisting;? betonstorten;? verharden.Deze handelingen herhalen zich steedstot het einde van de uitbouw. Vanaf depijlers wordt naar beide zijden gelijk-tijdig uitgebouwd, waardoor de con-structie in evenwicht is.Tegelijk met de uitbouw wordt op elklandhoofd een aanzetstuk gebouwd,waarop de uitbouw van de korte over-spanning kan aansluiten. Zodra de uit-bouw zover is, wordt hij met een sluit-moot met het aanzetstuk verbonden.Als laatste volgt dan de sluitmoot in dehoofdoverspanning. Na het `sluiten'van de brug worden onder in de kokerde spankabels voor de `continu?teits-voorspanning' voorgespannen enwordt de brug een geheel.Vervorming en maatvoeringBij het ontwerp van een uitbouwbrugzijn de bepaling van de definitievehoogtelijn en het proces om deze lijn tebereiken uitermate belangrijk. Krimpen kruip spelen hierbij een grote rol. Inde berekeningen is het uitgangspuntde situatie die na 100 jaar wordtbereikt. Dit houdt in dat de brug directna voltooien hoger ligt dan de uitein-delijk gewenste situatie. Ook tijdensde bouw verandert de hoogte voort-durend. Immers door het eigen gewichtzakt de uitkraging van de uitbouwsteeds verder in. Hiermee moet met debouw van de moten rekening wordengehouden.Om de juiste hoogte te bereiken, wor-den benodigde overhoogten berekend.Aan de hand van deze gegevens wordtvoor elke nieuwe moot de hoogte uit-gezet. Daarbij worden factoren alstemperatuur en zettingen van voor-bouwwagens en bekisting meegeno-men. Voor en na het storten van elkemoot worden de gerealiseerde waar-den gecontroleerd en aan de hand vande resultaten worden waar nodig dewaarden voor de nieuwe moot gecorri-10Ponte Sobre o Rio do Peixe bij Herval, Brazili?11De brug over de Maas bij Wessem, de eerste uitbouwbrug in Nederlandfoto: Rijkswaterstaat13VAKBLAD I 4 2015geerd. Voor de bouw van elke uitbouwbestaat er een `theoretische bouwlijn'.Het doel is deze zo nauwkeurig moge-lijk te volgen om daarmee een strakkebelijning van de brug te realiseren.GeschiedenisHet bouwen van een brug volgens desteigerloze uitbouwmethode is, voorzover bekend, voor het eerst toegepastrond 1930 in Brazili?. Engineer Em?lioBaumgart ontwierp de `Ponte Sobre oRio do Peixe' bij Herval (foto 10), eenbrug met een totale lengte van circa120 m en een breedte van circa 7,5 m.De hoofdoverspanning bedroeg68,50 m, de beide aanbruggen 23,7 men 26,7 m. Bij de pijler was de con-structiehoogte circa 4 m, in het middencirca 1,7 m. De kortere aanbruggen zijnop ondersteuningen gebouwd en ver-volgens voor het contragewicht tijdensde uitbouw verankerd aan de landhoof-den. Vanaf de uiteinden van de aan-bruggen werd de uitbouw boven derivier gerealiseerd. Bij deze brug is noggeen voorspanning toegepast maar inplaats daarvan 46 staven wapenings-staal van 38 mm. Anders dan nu werdde uitbouw gerealiseerd met kortemoten van maximaal 2 m lang.De eerste keer dat in Europa de vrije-voorbouwmethode is toegepast (de`Freivorbau') is rond 1951 voor debouw van een brug over de Lahn bijBalduinstein. Deze brug heeft eentotale lengte van circa 100 m, eenhoofdoverspanning van 62 m en eenbreedte van circa 7 m. Het is de eerstevrijevoorbouwbrug met voorgespan-nen beton. Ook hier werd uitgebouwdvanaf verzwaarde aanbruggen op deoevers boven het water. De mootlengtebedroeg inmiddels 3 m en elke mootwerd door middel van voorspanstavenverankerd. Hier komt ook voor het eerstde `voorbouwwagen' in beeld. Het ont-werp is van Dr.-Ing. Ulrich Finsterwaldervan Dyckerhoff & Widmann, d? Euro-pese deskundige op dit gebied.In Duitsland volgde kort na deze pri-meur, in 1953, de Nibelungenbr?ckeover de Rijn bij Worms. Deze brug heefteen totale lengte van 744 m, eenhoofdoverspanning van 114 m en eenbreedte van circa 10 m. Een aantaljaren later werd bij Bendorf voor heteerst de grens van 200 m gepasseerd:de Bendorfer Br?cke heeft eenhoofdoverspanning van 208 m.Mede door de verdere ontwikkelingvan voorspanning en betonsterkte-klassen raakte de methode gaandewegmeer ingeburgerd.Vrijevoorbouwbruggen inNederlandDe inbreng van Dr.-Ing. Ulrich Finster-walder en Dyckerhoff & Widmann bij derealisatie van de eerste `Freivorbaubr?-cken' in Duitsland bleef in Nederlandniet onopgemerkt. Om het systeem ookin ons land op een succesvolle manier teintroduceren, ging de Directie Bruggenvan Rijkswaterstaat een samenwerkings-verband met hen aan. Dit resulteerde in1962 in de aanbesteding van de eersteuitbouwbrug in Nederland: de brugover de Maas bij Wessem (foto 11).Dyckerhoff & Widmann verzorgden deberekeningen, het ontwerp van de uit-bouwwagens en leverden hun voor-spansysteem Dywidag. In tegenstellingtot nu werkte men toen nog uitsluitendmet voorspanstaven.Bij de volgende uitbouwbrug, de Zui-derbrug over de Maas in Maastricht,werd dezelfde werkwijze gevolgd.Daarna werd het ontwerp door Rijks-waterstaat zelf uitgevoerd. Tot 1992had Rijkswaterstaat zelf de uitbouw-wagens in het bezit en paste de ont-werpen hierop aan. De mootlengtebleef daarbij beperkt tot 3,0 ? 3,6 m.Later werd het ontwerp ook doorandere partijen uitgevoerd en werdenvoorspansystemen en wagens van ver-schillende leveranciers ingezet.Na een schoorvoetend begin in dejaren zestig, won de betonnen voor-bouwbrug gaandeweg aan populariteiten er volgden in de jaren erna een gro-ter aantal bruggen: veertien stuks in deperiode 1970-1979, twaalf stuks in deperiode 1980-1989 en zes in de peri-ode van 1991 tot 2001 (tabel 1). Na2001 zijn er in Nederland geen voor-Tabel 1 Overzicht van alle vrijevoorbouwbruggenin NederlandbouwjaarvoorspanningbijzonderheidMaasbrug Wessem 1964 stavenKennedybrug Maastricht 1968 stavenNoorderbrug Venlo 1969 stavenMaasbrug Empel 1970 stavenKaterveerse brug Zwolle 1970 stavenIJsselbrug Deventer 1971 stavenHatertsebrug Nijmegen 1973 staven Korlin ADukenburgsebrug Nijmegen 1973 staven Korlin AGraafsebrug Nijmegen 1974 staven Korlin ARavenwaaijse brug 1974 staven Korlin ARijnbrug Heteren 1975 stavenMaasbrug Ravenstein 1975 stavenNelson Mandelabrug Arnhem 1976 staven Korlin AIJsselbrug Zutphen 1976 strengGoyerbrug 1977 streng LiaporKoninginnenbrug Well 1978 streng LiaporRooijensteinsebrug Zoelen 1978 streng Korlin AZuilensebrug 1979 streng LiaporHoutensebrug (RW 27) 1980 streng LiaporMaasbrug Heumen 1980 strengNieuwegeinsebrug 1980 streng LiaporNeerbosche brug Nijmegen 1982 strengStichtsebrug 1983 streng LiaporNoorderbrug Maastricht 1985 strengMaasbrug Boxmeer 1985 strengPleybrug 1 Arnhem 1986 streng LytagMaldensebrug 1986 strengPleybrug 2 Arnhem 1987 streng LytagZeeburgerbrug 1989 strengIJsselbrug Westervoort 1990 strengZuiderbrug Venlo 1994 streng2e Stichtsebrug 1997 streng B85Jan Blankenbrug Vianen 1999 streng B65Jan Blankenbrug Vianen 2 2001 streng B65Dintelhavenbrug ( 2 stuks) 2001 streng B85Brug over het ARK Diemen 2015 streng C70/85bouwbruggen meer gebouwd tot nu:in 2016 zal de brug over het Amster-dam-Rijnkanaal (ARK-brug) gereed zijn.Dat dit zo lang heeft geduurd, is vooralte wijten aan de trend dat de vormge-ving steeds belangrijker werd. Ditleidde tot een aantal grotere presti-gieuze ontwerpen vaak voorzien vantuien. Maar voor de ARK-brug is vrijevoorbouw duidelijk de meest ge?igendeoplossing. Meer daarover staat in hetartikel `Vrije voorbouw in de praktijk'elders in dit nummer.