Tagarchief: Iv-Groep

Met proefbelasten het uiterste uit bruggen halen

noordoostpolder-wegongenade-1_0001-kopieren
Lees het gehele artikel

Een aanzienlijk deel van de circa 55.000 verkeersbruggen die in eigendom zijn van decentrale overheden in Nederland is verouderd. Door een tekort aan ontwerpgegevens is de belastbaarheid van deze bruggen veelal slecht te bepalen. Vaak moeten noodgedwongen conservatieve aannames worden gedaan voor onzekerheden over onder andere de krachtswerking in de constructie, de materiaalgegevens en de geometrie van fundatie en landhoofden. Omvangrijke nadere onderzoeken aan de constructie ter plaatse kunnen deze onzekerheden soms verkleinen. De hiermee gepaard gaande kosten en hinder voor de omgeving wegen echter niet altijd op tegen de verwachte winst in de berekening: lang niet alle onzekerheden kunnen worden weggenomen, waardoor slechts een beperkte verhoging van de rekenkundige belastbaarheid haalbaar is.

Brug Zuidelijke Rondweg in Waddinxveen.

 

Belastbaarheid aantonen

Beheerders hebben de plicht de belastbaarheid van bruggen aan te tonen. Maar vaak wordt een brug met een te conservatieve beschouwing ‘kapot’ gerekend en onterecht op de vervangingslijst gezet. Het gevolg hiervan is kapitaalvernietiging en onnodige CO2-uitstoot door nieuwbouw. Er is dan zeker niet ‘het uiterste uit de brug’ gehaald. Ook worden herberekening of nadere onderzoeken door een tekort aan budget regelmatig uitgesteld. Met het proefbelasten wordt op een snelle en kosteneffectieve manier de belastbaarheid van een brug bepaald en kan aan bovenstaande problemen een einde worden gemaakt. Vooral wanneer er weinig tot geen ontwerpgegevens beschikbaar zijn of deze moeilijk of zelfs niet in te winnen zijn. Ook geeft een proefbelasting, wanneer gegevens wèl beschikbaar zijn, in potentie een hogere aantoonbare belastbaarheid dan een herberekening. Wanneer er verfijnde herberekeningen zijn opgesteld en de brug voldoet (net) niet aan de gestelde sterkte eisen voor bestaande constructies, kan de proefbelasting de constructieve veiligheid van een brug alsnog aan tonen. Kortom, het is van belang dat de verborgen sterkte van verkeersbruggen wordt benut om deze aantoonbaar veilig in stand te houden en onterechte vervanging te voorkomen. Met een proefbelasting geeft een brug zijn uiterste kunnen prijs.

Principe proefbelasten

Het proefbelasten van een betonnen brug wordt specifiek gedaan om de momentcapaciteit van het brugdek te bepalen. De dwarskrachtcapaciteit van het dek wordt voorafgaand aan de proefbelasting op basis van de geometrie en het constructietype rekenkundig bepaald om te kunnen garanderen dat deze tijdens de proefbelasting niet maatgevend is. Eventueel kan beperkt aanvullend onderzoek naar de dwarskrachtwapening en/of betonsterkteklasse uitgevoerd worden. De proefbelasting is vooral geschikt voor bruggen met een overspanning tot 15 meter.

Bij de proefbelasting maakt Iv-Infra gebruik van het feit dat de brug lineair elastisch vervormingsgedrag vertoont. Door stapsgewijs een steeds grotere last in het hart van de overspanning aan te brengen, wordt er gecontroleerd een belastingeffect (moment, dwarskracht, doorbuiging) in het brugdek veroorzaakt. De positie van de last wordt zo gekozen dat dit leidt tot het grootste moment in het brugdek. Idealiter wordt dit moment net zo groot als het moment wat in het brugdek ontstaat ten gevolge van de normbelasting (rijstrook 1: 2 assen van 30 ton en een gelijkmatig verdeelde belasting van 900 kg/m2) inclusief veiligheid- en reductiefactoren (Eurocode, NEN 8700/8701).

De uitvoering van de proefbelasting is inmiddels zoveel mogelijk gestandaardiseerd. Elke brug is echter uniek, dus proefbelasten blijft een stukje maatwerk. Eerst wordt beoordeeld of de brug geschikt is om met proefbelasting de gewenste capaciteit aan te tonen, of dat er wellicht beperkende factoren aanwezig zijn. Vervolgens wordt de brug constructief geschouwd om de staat vast te leggen en minimale gegevens in te winnen. De landhoofden mogen daarbij geen aanleiding geven tot verdenking van problemen met de fundatie, en het brugdek zelf mag geen schades vertonen die duiden op overbelasting. Tijdens de proefbelasting worden de landhoofden en de fundatie goed in de gaten gehouden.

Brug Willem de Zwijgerlaand in Waddinxveen.

 

Resultaten

De proefbelastingen die Iv-Infra tot op heden heeft uitgevoerd leidden steevast tot hogere belastbaarheid dan vooraf werd verwacht op basis van de aard van de constructie of op basis van een rekenkundige onderbouwing. De bruggen gedragen zich stijver dan op basis van vuistregels of een rekenmodel wordt voorspeld. Alle bruggen bleven onder de grootste belastingen elastisch vervormingsgedrag vertonen. Hierbij wordt opgemerkt dat niet meer belasting is aangebracht dan benodigd om de gewenste belastbaarheid van de brug aan te tonen. Bij elke brug is aangetoond dat deze vrijgegeven konden worden voor al het verkeer, volgens de Eurocode, terwijl op basis van rekenkundige beschouwingen in een eerder stadium wèl significante lastbeperkingen noodzakelijk zouden zijn. Bij geen enkele brug zijn significante zettingen van de fundering geconstateerd.

Discussie: ‘nieuw’ belastingsmodel voor bestaande bruggen met beperkte overspanning

De hoogte van de aan te brengen proefbelasting op het brugdek wordt nu gerelateerd aan de normbelasting volgens de Eurocode en de NEN-8700 serie waarbij reducties (trend, restlevensduur en gebruik) worden toegepast. Dit verkeersbelastingsmodel is geschikt om veilig nieuwe kunstwerken voor een levensduur van 100 jaar te ontwerpen of bestaande constructies te toetsen aan een restlevensduur van bijvoorbeeld 30 jaar. De toepassing van deze normen bij bestaande bruggen met kleinere overspanningen tot circa tien meter leidt in de praktijk tot belastingsituaties die in werkelijkheid fysiek niet kùnnen optreden. Achtergrond hiervan is dat in de praktijk de belasting uit een voertuig altijd gunstiger op het brugdek komt. Denk hierbij aan een 4- of 5-asser zandwagen met 50 ton met een lengte van circa tien meter. Overbeladen landbouwvoertuigen met hoge aslasten zijn hierbij nog wel een aandachtspunt. Dit leidt tot onterecht afkeuren van bestaande bruggen. Nederland ligt vol met bruggen waarvan de belastbaarheid niet bekend is en waarvan er geen archief ontwerpgegevens meer beschikbaar zijn. Los van de methode proefbelasting of herberekening zullen vele bruggen niet voldoen aan de normbelasting. Bij bruggen tot circa tien meter zou in aanvulling op de reeds opgestelde “TNO-rapportage decentrale bruggen zonder jaarontheffing” een pragmatische omgang met de optredende belastingen wenselijk zijn. Kortom, stel een maximale belastingsituatie vast op basis van werkelijke voertuigen met een aanvaardbare overschrijdingskans. Dit om te zorgen dat Nederland alle vervangingsopgaven het hoofd kan blijven bieden de komende 10-20 jaar.

Significante besparingen realiseren in vervangingsopgave

De bruggen, waarbij proefbelastingen zijn uitgevoerd, zijn natuurlijk niet representatief voor het gehele areaal van 55.000 bruggen. Iv-Infra waagt zich dan ook zeker niet aan generieke conclusies. Echter, de resultaten waren zonder uitzondering zeer gunstig te noemen. Er is zoals verwacht overvloedige verborgen sterkte geconstateerd bij de uitgevoerde proefbelastingen. Alle bruggen, zonder uitzondering, bleken te beschikken over een enorme restcapaciteit. De grote potentie van het proefbelasten staat wel vast: naar verwachting zijn daadwerkelijk significante besparingen te realiseren in de vervangingsopgave die er ligt.     

Duplex segmentdeuren voor sluis Södertälje

Lees het gehele artikel

Een sluis verbouwen zonder de vaart te stremmen, een klant die een bijzonder type sluisdeur wil en state-of-the-art-ontwerptechnieken: uitdagingen genoeg bij de uitbreiding van de grootste sluis in Scandinavië. De bestaande sluis in Södertälje is 135 meter lang en 20 meter breed. Om het groeiende maritieme verkeer aan te kunnen wordt de sluiskolk vergroot naar afmetingen van 170 meter lang en 25,3 meter breed.

MH Poly en Iv-Infra hebben de krachten gebundeld en zijn als joint venture onder de naam S3P betrokken bij dit project voor het ontwerp van onder andere de nieuwe sluishoofden, inclusief segmentdeuren en werktuigbouwkundige onderdelen en de geleideconstructies in het sluishoofd ter bescherming van de sluisdeurarmen.

Minimale hinder voor de zeevaart

In Södertalje is de bouw inmiddels begonnen. Een belangrijke eis van klant Sjöfartsverket (Zweedse Maritieme Dienst) is dat het vaarverkeer tijdens de bouw minimaal tot niet wordt gestremd. Om de impact op het vaarverkeer tot een minimum te beperken worden naast de bestaande sluishoofden bouwputten gebouwd. Hierin worden de complete sluishoofden inclusief de sluisdeuren gebouwd en getest.  Tijdens een korte stremming worden de nieuwe sluishoofden ingedreven naar de definitieve locatie en aan de onderzijde voorzien van een groutlaag.

Visualisatie referentieontwerp Sweco.

 

Duplex segmentdeuren

De sluisdeuren worden uitgevoerd als segmentdeuren in duplex staal. Voor Nederland is dit een unieke toepassing. Het water in het Södertälje kanaal is enigszins brak en het zoutgehalte zal in de toekomst alleen maar hoger worden met de verwachte zeespiegelstijging. Duplex staal is een type roestvaststaal met corrosiebestendige eigenschappen. Met dit materiaal zijn de onderhoudskosten tijdens de levensduur zeer beperkt vanwege het ontbreken van conservering.

Segmentdeuren hebben grote voordelen bij de omgevingscondities die gelden voor dit project, zoals de beperkte ruimte voor inpassing van het sluishoofd en de hydraulische voorwaarden voor tweezijdig keren en spuien. Bij een segmentdeur roteert de klep om een horizontale as. In geopende stand bevindt de sluisdeur zich op de bodem van het sluishoofd. Een ander voordeel is de mogelijkheid om te kunnen nivelleren door het openen van de deur. Hierdoor zijn geen schuiven in de deur of omloopriolen in het sluishoofd nodig. Wanneer een grote afvoer van water uit het Mälarenmeer nodig is, kan met de segmentdeuren ook gespuid worden. Bij onderhoud of vervanging kan de constructie in verschillende standen boven water worden gedraaid.

Het ontwerp van de sluisdeuren

De huidplaat van de segmentdeur is cirkelvormig en voorzien van langsverstijvingen. Aan de onderkant is een aangepaste geometrie in de huidplaat toegepast, zodat in de nivelleerstand een optimaal stromingsprofiel ontstaat. Dwarsdragers brengen de belasting over naar twee kokervormige hoofdliggers met openingen om in- en uitstroom van water mogelijk te maken. De klep heeft drijfkamers aan beide kanten, zodat het operationeel gewicht nagenoeg nihil is. In dwarsrichting zijn de drijfkamers zo gepositioneerd dat er in alle standen een zelfsluitend moment aanwezig is. In geval van volledige uitval van energie kan de sluisdeur zichzelf sluiten. In gesloten stand heeft de klep twee opleggingen tegen de drempel (eindstops) om de juiste positie van de sluisdeur te garanderen.

Aan de einden van de hoofdliggers bevinden zich de verbindingen voor de armen. Per zijde komen twee armen samen bij de hoofdas, die is uitgevoerd als buisprofiel. De hoofdas kan roteren in twee lagers die zijn aangebracht in een stalen frame. Tussen de primaire en secundaire lager is een console aangebracht voor bevestiging van een hydraulisch cilinder. De console creëert een werkarm van de hydraulische cilinder naar de hoofdas. Hiermee wordt de stand van de deur geregeld en wordt de voorziening gecreëerd om de deur te vergrendelen in verschillende posities. Deze constructies worden symmetrisch uitgevoerd, dus met een aandrijving aan beide zijden van de deur.

De segmentdeuren worden op allebei de sluishoofden tegengesteld uitgevoerd. Mocht er bij het binnenvaren van de sluiskolk een aanvaring plaatsvinden, dan gebeurt dit altijd aan de holle zijde van de deur met trekkracht op de armen. Vanuit beschikbaarheidseisen worden een derde klep en armen gefabriceerd en opgeslagen op het sluiscomplex. De kleppen en armen zijn onderling uitwisselbaar.

FEM overzicht segmentdeur.

 

Toepassing van interne ringverstijvers in lijn met de langsverstijvers

Vermoeiing is een belangrijk aspect bij het ontwerp van de staalconstructie, vooral voor de detaillering van de drijfkamers, armen en de hoofdassen. De drijfkisten worden bij elke bewegingscyclus vanaf de waterlijn tot onder de sluisbodem bewogen. Dit geeft een grote belastingwisseling op de constructie en de plaatverstijvers van de drijfkamers. Er is gekozen voor toepassing van interne ringverstijvers in lijn met de langsverstijvers op de huidplaat. Per zijde zijn zes gescheiden compartimenten toegepast, -elk met een toegangsdeur voor inspectie en onderhoud. Met het oog op eventuele toekomstige aanpassingen aan de deur of grotere aangroei dan verwacht wordt ballastgewicht (circa 2,5% van het deurgewicht) in de drijfkamers aangebracht.

De afdichtingen vormen een belangrijk onderdeel binnen het functioneren van de sluisdeur. Lekkage moet minimaal zijn en bovendien moet een bepaalde levensduur gegarandeerd worden. Aan beide zijden wordt een dubbele lipafdichting toegepast in een cirkelvorm. Om slijtage door de deurbewegingen te reduceren, is het centerpunt van de afdichting zo gekozen dat bij het bewegen van de deur naast de tangentiële beweging ook een geringe radiale beweging optreedt, waardoor de contactlengte tussen afdichting en de ingestorte stalen plaat wordt verminderd.

Ontwerp onderafdichting

Het ontwerp van de onderafdichting bleek een lastige opgave vanwege optredende vervormingen, bouwtoleranties en stijfheidseisen. De vervormingen van de klep bij verval zijn relatief groot, daarom is het contactvlak met de drempel parallel aan de doorbuigingsrichting gekozen. Voor de vervormingscapaciteit van de onderafdichting is rekening gehouden met de optredende vervormingen van de drempel en bouwtoleranties van de sluisdeur en de drempel. Als ontwerpuitgangspunt is gehanteerd dat de deur altijd tegen zijn eindstops aan moet liggen door het sluitende moment. Hiermee is de veerstijfheid van de onderafdichting gemaximaliseerd.

Bouw van de sluisdeuren

De sluisdeuren en werktuigbouwkundige onderdelen worden gefabriceerd en gemonteerd door Cimolai in Italië. De verwachting is dat de deuren begin 2020 gereed zijn voor transport naar Zweden.