Liill5 T C H T N G BETONPR 5 M A??y "''ll@ '''';ss""'''':'' D POSTBUS 3532 ND, , : ' "; 5203 DM 'S-HERTOGENBOSCH Des ea ng TONIE.K geven we eenoverzicht van de constructie Iijk-heden voor bruggen en viadu invoorgespannen ofgewapend beton.Daarnaast gaan we in op de eigenschap-pen van het beton dat voor bruggenen viaducten gebruikt wordt en deinnovaties op dit gebied.De functie van bruggen en viaducten is het overbrug-gen van water, spoor- en verkeerswegen. Bijconstructies over water spreken we van bruggen.Viaducten zijn constructies die ervoor zorgen datverschillende verkeersstromen op het land elkaarongehinderd kunnen passeren (foto I).De mens heeft altijd al bruggen gebouwd. Denk maaraan de Pont du Gard in Frankrijk of de oude brug bijMostar in voormalig Joegoslavië. Dit zijn alletweegemetselde boogbruggen met een beperkteoverspanning. Naast metselwerk werd ook houtvroeger veel gebruikt voor de bouw van bruggen.De komst van moderne materialen als staal en betonèn de bijbehorende kennis over ontwerpen, betekendeeen grote sprong voorwaarts in de bruggenbouw. Eroktober 1995[IJ Viaduct over de A/5 ter hoogte van Papendrecht,voorbeeld van een liggerconstructie: elke overspanningheeft dezelfde doorsnedexzJJJJJJJJJJJJJJafJJJJJJJJJJJ[IJ De brug bij Zaltbommel: de aanbruggen hebben een ter plaatse gestorte plaat-Iiggerconstruetie,de hoofdoverspanning is een tuibrug Foto: Klaas Laan, Hoornbleken veel grotere overspanningen mogelijk: vanenkele tientallen tot honderden meters. Dergelijkeconstructies kunnen in staal, gewapend beton of in eencombinatie van beide worden uitgevoerd.Bruggen en viaducten kunnen uit één of meeroverspanningen ('velden') bestaan, waarbij deconstructievorm per overspanning kan verschillen.Bijvoorbeeld een aantal aanbruggen over deuiterwaarden en een hoofd-overspanning over derivier (foto 2). Een viaduct over een autosnelweg metmeerdere velden daarentegen, zal doorgaans bij elkeoverspanning een gelijke doorsnede hebben (foto I).We kunnen bruggen en viaducten indelen naarconstructievorm en uitvoering. Voordat we dat doen,leggen we eerst de begrippen wapenen en voorspan-nen van beton uit.Wapenen en voorspannenAls we een houten plank overeen sloot leggen en wegaan daar vervolgens op staan, zal deze doorbuigen(fig. 3). Hierdoor ontstaan in de bovenzijde van deplank drukkrachten en in de onderzijde trekkrachten.We noemen dit een 'op buiging belaste constructie'.Gebruiken we een betonnen plank, dan zal deze algauw breken, tenzij er wapening in zit.Zoals we weten, kan beton uitstekend drukkrachtenopnemen, maar trek niet of nauwelijks. Staal kan trekdaarentegen juist zeer goed opvangen. Indien het opde juiste plaats in het beton is aangebracht, zal het detrekkrachten opnemen. Beton zal scheuren in hetgebied waar trekkrachten optreden. In deVoorschriften Beton Constructies (VBC, NEN 6720)worden eisen gesteld aan de scheurwijdte. Descheurwijdte wordt beperkt doordat de aanwezigewapening de trekkrachten opneemt (fig. 4).[IJ Natte voeten?WWWZZ?WWW?WWWWW jscheurtjesillDoorbuigende gewapende betonplaatJJJJJJJJJJJJJJJNafJJJJJJJJJJJongescheurdgescheurdI, bwapeningdrukztrek[IJBetondoorsnede met geschematiseerde kracht- en spanningsdiagrammenSchematiseren we deze krachtswerking dan ontstaatfiguur 5. Daarin zien we dat het beton in het bovenstedeel van de doorsnede de drukkrachten opneemt endat slechts een klein deel van de doorsnede op drukwordt belast. In het onderste deel is het betongescheurd, waardoor het geen trekkracht meer kanopnemen. Dat wordt volledig gedaan door het staal.Om het vermogen van beton om drukkrachten op tenemen optimaal te benutten, zou niet slechts een kleindeel maar de hele betondoorsnede op druk moetenworden belast. Dat kan door het beton voor tespannen (fig. 6a). Als een constructeur zijn werk goedDroge voeten met voorgespannen beton?heeft gedaan, treden in de doorsnede geen of slechtsgeringe trekspanningen op. In deze situatie (de'gebruiksfase') worden de trekspanningen ten gevolgevan het eigen gewicht en de belasting geheelgecompenseerd door de drukspanningen dievoortvloeien uit de voorspanning. In figuur 6b is ditschematisch weergegeven.De hele doorsnede wordt nu op druk belast. Wespreken daarom van 'volledig voorgespannen beton'.Ook het vermogen van staal om trekkrachten op tenemen, wordt door de toepassing van voorspanstaaloptimaal benut. Doordat trekspanningen achterwegeblijven, blijft de betondoorsnede in de gebruiksfaseongescheurd. Dit komt de duurzaamheid ten goede.Met voorgespannen beton zijn veel grotereoverspanningen mogelijk dan met gewapend beton.Door de veel lagere treksterkte van 'gewoon'wapeningstaal èn de in de voorschriften gestelde eisenaan de scheurwijdte zal bij grote overspanningen algauw 6 tot 8 keer zoveel wapeningstaal nodig zijn invergelijking met voorspanstaal. Dat dit al snel zalleiden tot zeer grote hoeveelheden dicht opeengepaktstaal in de bekisting, met alle gevolgen van dien,...'-:Jcu"5V)cuClc:oI/OO1"Spanning eigen gewicht+ belasting"Ql!bruiksfase"Voorgespannen betondoorsnede met geschematiseerde spanningsdiagrammenJJJJJJJJJNafJJJJJJJJJJ'"behoeft verder geen betoog! Toepassing vanvoorspanstaal betekent in dergelijke gevallen ook eenbeperking van de betondoorsnede en/of deconstructiehoogte.Bij een goed ontwerp van bruggen en viaducten kandus optimaal gebruik '/Vorden gemaakt van deeigenschappen van beton en E~F staal.Bruggen en viaducten van beton kunnen weonderscheiden naar de manier waarop zij ontworpenzijn - gewapend of voorgespannen - of de manierwaarop zij uitgevoerd zijn - ter plaatse gestort ofsamengesteld uit geprefabriceerde delen. Ook komenallerlei mengvormen voor. Oudere bruggen zijn vaakvan gewapend beton. In Nederland is men na deTweede Wereldoorlog voorgespannen beton gaantoepassen. Momenteel voert Rijkswaterstaat circa90% van alle bruggen en viaducten in voorgespannenbeton uit.·ConstructievorrnAls we bruggen en viaducten indelen op grond van dede constructievorm, kunnen we op hoofdlijnen devolgende typen onderscheiden:- plaatconstructie;-liggers;- kokerconstructie;-boogbrug;-tuibrug;- hangbrug;- combinaties.De keuze van het type hangt af van de afstand diemoet worden overbrugd of de benodigde dikte van de!IJ Voorbeeld van een plaatconstructieconstructie. Ook de vereiste doorrij- of doorvaart-hoogte kan bepalend zijn. En niet te vergeten hetesthetische element, dat wil zeggen de inpassing vande constructie in haar omgeving. Een optimaalontwerp bestaat vaak uit een mengvorm vanbovengenoemde typen. De verdeling van deinNederland gebouwde viaducten naar type is globaal alsvolgt: 60% plaatconstructies, 30% liggers, 5%kokerconstructies en 5% overigen.PlaatconstrudiesDe plaatconstructie is de eenvoudigste en daarmeeveelal ook de goedkoopste vorm. Tussen desteunpunten wordt een gewapend of voorgespannenbetonplaat gestort. Met een dergelijke constructie iseen overspanning tot circa 40 m economisch haalbaar(foto 7).Dezeconstructievorm kent een aantal varianten. Desimpelste vorm is een massieve, rechthoekigedoorsnede ((tg. Ba). Bij grote overspanningen gaat heteigen gewicht van het beton een steeds grotere rolspelen. Om het eigen gewicht te beperken, kunnenholle ruimten in de plaat worden opgenomen.Bijvoorbeeld door toepassing van sparingsbuizen(fig. Bb). Een andere oplossing is de dikte van de plaatnaar de randen te verminderen ((tg. Be). Door deplaatvorm is een relatief eenvoudige bekisting nodig,maar deze vraagt wel om een goede ondersteuningtijdens het storten en de verharding.Een kenmerk van een plaatconstructie is dat er op ééndag veel kubieke meters beton moeten worden·lIJDoorsnede plaatviadua (a) massief, (b) met kokers,(c) aangepaste doorsnedeJJJJJffJJJJJJJJJJ" s iUPYW mwwverwerkt. Hoeveelheden van 800 à 1000 m3 komenregelmatig voor. Een plaatviaduct wordt nagenoegaltijd in één stort uitgevoerd.LiggersBij de plaatvorm wordt een groot deel van hetmateriaal constructief gezien niet volledig benut. Alsalternatief kan worden gekozen voor een constructieopgebouwd uit balken met daarop een dunne vloer(denk hierbij aan de houten draagbalken met dunnevloerdelen in de woningbouw). Vroeger werden dezebalken ter plaatse gestort. Tegenwoordig worden debalken -liggers - geprefabriceerd. In alle gevallenbetreft dit voorgespannen beton. Op de plaats van hetviaduct worden de liggers door een kraan op deondersteuningen geplaatst. Daarna wordt ter plaatseaeen betonnen dek gestort. Met liggers zijn overspan·ningen tot circa 50 m haalbaar (foto 2).De liggers bestaan voornamelijk uit profielen in devorm van een I (fig. 9a) of een (omgekeerde) T (fig. 9b),maar in de praktijk zullen we diverse variantenaantreffen.Het betondek wordt ter plaatse gestort, vaak op een'verloren' bekisting. Soms wordt ook de ruimte tussende liggers volgestort. Hierdoor zal het geheel zichconstructiefgezien als een plaat gaan gedragen (fig. ge).Indien de beschikbare constructiehoogte beperkt is,kunnen ook massieve (fig. 9d) of, bij grotereoverspanningen, holle prefab-liggers worden toegepast(fig. ge).Liggers kunnen ook worden toegepast als deverkeerssituatie ter plekke geen ruimte biedt voor debekisting van een ter plaatse te storten plaat of als ergeen tijd beschikbaar is voor het aanbrengen vanbekisting en wapening en de verharding van het beton.Dit zal vaak het geval zijn bij de bouw vaneen viaductover een bestaande autosnelweg.bcdeKokereonstructiesOmdat de constructie met name op buiging wordtbelast, is het voordelig zoveel mogelijk materiaal naarde buitenzijde van de doorsnede te brengen. Kokers(maar ook profiel-liggers) zijn hiervan een goedvoorbeeld. De krachten worden in de buitenste zonesopgenomen; de drukkrachten door het beton en detrekkrachten door de wapening.Binnen de kokerconstructies onderscheiden wekokers met een vaste hoogte (fig. 10) en kokers meteen variabele hoogte. Hiermee zijn respectievelijkoverspanningen tussen 40 - 80 m en 80 - 200 mmogelijk (foto I I). Een kokerligger kan bestaan uit éénof meer kokers tegen elkaar.~YOE\WWWWTOO '"[IJ I-liggers (a), omgekeerde T-Iiggers (b), massieve plaatmet liggers (e), massieve liggers (d), holle liggers (e)[@] Doorsnede dubbele en enkele kokerliggerJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ[DJ Kokerconstruaie in aanbouw l:ITI BoogviaduaNJJZNfNI I KJJD?DfDJJJJJJJJg@]Aanzicht kraagligger [B] Schema boogbrugBij constructies met een variabele hoogte (fig. 12) is dehoogte het grootst bij de steunpunten (hs) en hetlaagst in het midden van de overspanning (hy ). Dezelaatste vorm komen we vaak tegen bij de zogenoemde'vrije-voorbouw' construc:ties, die ook wel 'kraaglig-gers' worden genoemd.BoogbrugHoewel betonnen boogbruggen momenteel niet meerworden gebouwd, verdienen ze toc:h een plaats indeze opsomming. Vóór de Tweede Wereldoorlog iser een aantal in Nederland gebouwd (foto 13 en fig.14). Ze werden vooral toegepast voor overspanningengroter dan 30 à 40 m, waar gewapend·betonbalkenniet meer toereikend waren. Door de constructie-vorm - met een gewapend-betonnen boog - is het eenduur type, want er is een bewerkelijke bekisting voornodig. Met de ontwikkeling van hoge sterkte beton enmoderne uitvoeringstec:hnieken is de boogbrug weereen reële optie voor de ontwerper.TuibrugTuibruggen (foto 15 en fig. /6) zijn geschikt vooroverspanningen tot circa 400 à 500 m (de Waalbrugbij Zaltbommel heeft een hoofdoverspanning van256 m, foto 2). De tuidraden brengen de belastingenals gevolg van eigen gewicht en verkeer over naar de@] Tuibrug bij HeusdenSchema tuibrugJJJJJJJJJJJJJJJDJJJJJJJpylonen. Daar worden ze via de betOnnen funderingnaar de ondergrond afgedragen. Door de schuinestand van de tuidraden worden zowel het dek als depylonen op druk belast. Een ideale situatie voor detoepassing van beton. Het betonnen brugdek kanbestaan uit eerder genoemde typen, zoals platen,liggers en kokers of combinaties daarvan.HangbrugHangbruggen komen in aanmerking indien zeer groteoverspanningen nodig zijn. Daarbij moet wordengedacht aan afstanden van circa 500 m of meer (dehoofdoverspanning van de Oostbrug over de GroteBelt in Denemarken is 1624 m). Het brugdek hangtmet verticale ophangkabels aan een dikke draagkabel(fig. 17 en foto 18). Fundering en pylonen kunnenuitstekend van beton worden gemaakt. Een betonnenbrugdek wordt al gauw te zwaar voor de hang- endraagkabels, daarom wordt een stalen rijdek toegepast.ImSchema hangbrugHangbrug (1410 m) over de Humber (Engeland)CombinatiesDe combinatie van plaat, ligger of koker als construc-tiedeel van een tuibrug is al genoemd. Ook voorandere overspanningen kan een ontwerper kiezenvoor diverse combinaties. Een voorbeeld is detrogligger, een combinatie van twee liggers met een_gwwT\wwwwwwwl1IIDoorsnede trogligger=v"2Z2ZTDoorsnede dubbel-T-Iiggerplaat als laaggelegen rijdek (fig. 19). Een andere variantis de dubbel-T-Iigger, hierbij vormt een plaat hethooggelegen rijdek met daaronder twee liggers(fig. 20). Dit zijn slechts een paar voorbeelden vancombinaties, want er zijn er nog veel meer tebedenken.UitvoeringAI eerder zijn begrippen als 'ter plaatste gestort' en'geprefabriceerd' genoemd. Ter plaatse gestorteconstructies geven de ontwerper en architect een grotevrijheid voor wat betreft vormgeving. Allerlei vormenzijn te realiseren, maar een ingewikkelde bekisting zalkostbaar zijn.Bij prefabricage denken we al gauw aan voorgespannenbalken of liggers. Maar er is natuurlijk veel meermogelijk. Er zijn complete bruggen gebouwd, waarbijgeprefabriceerde kokerelementen ter plaatse aan elkaarwerden gelijmd, waardoor een kokerligger ontstond.Een dergelijke constructievorm is in Nederland onderandere toegepast bij de brug over de Brielse Maas en defly-over van het Kleinpolderplein. De verschillendeprefabmoten worden door de voorspanning tegenelkaar gedrukt. Een nadeel van dit systeem is dat devoegen in de loop der tijd niet meer goed dicht kunnenzijn, waardoor het voorspanstaalter plaatse onvoldoen-de wordt beschermd. In het buitenland is hierdoor veelschade ontstaan.Tegenwoordig worden ook complete brugelementengeprefabriceerd, zoals de verkeersbruggen over deOosterscheldekering en de Westbrug over de GroteBelt in Denemarken. Dergelijk grote elementen wordenJJ JJJJJJJJaJJJJ J J JIIBHefschip Svanen tilt het één na laastste brugelement van de Westbrug in Denemarken op zijn plaats.Foto: Storebaelt.in een speciale fabriek op de wal vervaardigd envervolgens met behulp van een speciaal hefschip op hunplaats getild (foto 21).Een tussenvariant voor wat betreft uitvoering is deschuifbrug. Een goed voorbeeld hiervan is deZeeburgerbrug te Amsterdam. Bij deze kokerbrugwerd aan een zijde van de brug steeds een mootgestort. Na verharding en het aanbrengen van devoorspanning werd dit deel verschoven. Vervolgenskon op dezelfde plaats en met dezelfde bekisting eennieuw deel worden aangestort. Aldus is het mogelijkeen zeer lange, doorgaande kokerconstructie te maken.BetoneigenschappenBij het ontwerp van bruggen en viaducten is beton vansterkteklasse B35 of B45 vaak uitgangspunt, metuitzondering van prefabliggers waarbij voor desterkteklasse vaak B45 - B65 wordt gekozen. Vanwegede bijna altijd aanwezige (dooi-) zouten in de omgevingvan de constructie wordt in verband met de duurzaam-heid doorgaans beton in milieuklasse 3 voorgeschreven.De cementkeuze voor het beton wordt mede bepaalddoor de uitvoeringsmethode en/of de vereisteduurzaamheid. Indien een snelle sterkte-ontwikkelinggewenst is, vanwege het tijdstip van voorspannen ofontkisten, zal vaak voor een snel verhardendportlandcement (CEM I) worden gekozen. Indien dekeuze vooral wordt bepaald door duurzaamheidsover-wegingen ligt de keuze voor hoogovencement met eenhoog slakgehalte (CEM III/B) voor de hand. Bijmassieve constructies kan ook het verschil in warmte-ontwikkeling tussen de verschillende cementen eenrol spelen.De betonsoort is meestal 'gewoon' beton, dat wilzeggen beton met een volumieke massa tussen 2300en 2450 kg/m3 (NEN 5950). Zo als eerder genoemd,gaat bij grotere overspanningen het eigen gewicht vande constructie een grote rol spelen. Toepassing vanlichtbeton -volumieke massa kleiner dan 2000 kg/m3-kan dan een zinvol alternatief zijn.JJJJJJJJJaJJJJJJJJJJJ470 250de fundering door het lagere eigen gewicht lichterworden uitgevoerd. Maar het werkelijke voordeel zitin de lagere constructiehoogte van het ontwerp inhoge sterkte beton. Door de lagere hoogte van hetrijdek kunnen toeritten van en naar de brug ook lagerworden gehouden. Dit levert een geweldige besparingop in het grondverzet èn het ruimtebeslag, omdat detoeritten op maaiveldniveau ook minder lang en breedworden.êISchematische doorsnede kokerligger van een 'vrijevoorbouw' brug in sterkteklasse B35 en B80 terplaatse van het steunpuntInnovatiesDe belangstelling voor hoogwaardig beton (sterkte-klasse B 65 of hoger) groeit. Vooral bij bruggen enviaducten waar bepaalde delen van de constructiezwaar worden belast door drukkrachten (vaak alsgevolg van het eigen gewicht) biedt de toepassing vanhoge sterkte beton mogelijkheden. Dit is bijvoorbeeldhet geval bij kokerconstructies. In figuur 22 is eenvoorbeeld opgenomen van een vrije-voorbouwbrugmet een ontwerpvariant in sterkteklasse B 35 enin B80.De besparing op materialen (beton en voorspanwape-ning) wordt echter (deels) teniet gedaan door dehogere prijs van hoge sterkte beton en de groterehoeveelheid betonstaal, die minimaal nodig is. Wel kanOok bij andere constructietypen zien we een tendensom bij het ontwerp te kiezen voor hogere sterkteklas-sen. Een aanzienlijk voordeel wordt gehaald bijsterkteklassen tot B 65. Bij verhoging van desterkteklasse van B45 naar B 65 kan de constructie-hoogte 10 tot 15% lager worden. Ook zijn bij hogeresterkteklassen en bij gelijkblijvende constructiehoogtegrotere overspanningen mogelijk (fig. 23).Een ander voordeel van hoogwaardig beton is degrote duurzaamheid. Als gevolg van de hogeredichtheid heeft hoogwaardig beton een lagerepermeabiliteit. Agressieve stoffen als dooizoutenhebben hierdoor minder toegang tot het beton èn dewapening.Verwacht mag worden dat dergelijke innovaties ook inde toekomst zullen doorgaan. Door verdereontwikkelingen op het gebied van kennis vanmaterialen en ontwerpmethoden zal de bouw vanbruggen en viaducten steeds aan vernieuwingonderhevig zijn.1,551,351,15..[ 0,9510,750,55-- ------------ ---- -------- ----------- JJJJJJJJJJ ----- Q R-ilI-" 55----.- 65Tp--*- 85--0- 95-+-105453S250,35 +=-- JH|JJJJJJ||JJJJJJJJJH1SLengte overspanningConstruetiehoogte van een plaatviaduct voor verschillende betonkwaliteitenJJJJJJJJJJJaJJJJJJJJJJJJLiteratuurVis, W.c. en Sagel, R., Berekenen en tekenen vanbetonconstructies (Cement en betonreeks nr. 23),Stichting BetonPrisma, 's-Hertogenbosch 1993Brakel, J., Betonnen Bruggen, Technische Universiteit,Delft 1978Kaptijn, N. en Veen, C. van der, Beton met hogesterkte is in opmars, Land+Water nr 1/1994Viginia, P.U., Betonnen Bruggen - Expertsysteem,afstudeerverslag, Technische Universiteit, Delft 199 1Wagenaar, P., Hoge sterkte beton in plaatviaducten?,afstudeerverslag, Technische Universiteit, Delft 1995NormenNEN 5950 Voorschriften Beton. Technologie VBT1986 en aanvullingenNEN 6720 Voorschriften Beton. Constructieve eisenen rekenmethoden (VBC 1990).ColofonBETONlEK is een praktijkgericht voorlichtingsbladop het gebied van de betontechnologie en verschijnt10 keer per jaar.Uitgave: Stichting BetonPrismapostbus 3532, 5203 DM 's-HertogenboschRedactie: 073 - 6 40 12 22Abonnementen: 073 - 6 40 12 31De Stichting BetonPrisma is een initiatief van deVereniging Nederlandse Cementindustrie (VNC).Kalkuitslaghet in hetzkalkuitslag(actoren speleEn hoe kunnen we kalvragen krijgt u in de volgende a everingantwoord.BeDaar maak je 't mee.Overname van artikelen en illustraties is toegestaan,onder voorwaarde van bronvermelding.Abonnementsprijzen:Nederland f 26,50België f 27,50andere landen f 42,-Abonnementen lopen per kalenderjaar en wordenautomatisch verlengd, tenzij voor 1 decemberschriftelijk wordt opgezegd.ISSN 0166-137x CVAK __