Toepassing van LP-platen in de bruggenbouw

Film: de Dintelhavenspoorbrug

Voor een brug zijn veel constructievormen met verschillende staalsoorten mogelijk en elk alternatief vindt zijn specifiek toepassingsgebied. De wens om een staalplaat te vervaardigen die in langsrichting een verlopende dikte heeft, zodat naast materiaalkosten ook laskosten bespaard worden, laat in het buitenland een sterke toename zien in het gebruik van LP-platen. Deze platen worden geleverd door Dillinger Hütte GTS.
Het idee achter de ontwikkeling van de LP-plaat wordt aan de hand van figuur 1 duidelijk gemaakt. Als voorbeeld is genomen een plaatligger op 2 steunpunten.

In figuur 1 is de theoretische plaatdikte t.g.v. het momentenverloop in de flenzen gestippeld weergegeven. Vervolgens is de plaatdikte getekend bij toepassing van de traditionele plaat en die bij toepassing van een LP-plaat.

















Figuur 1.

Plaatdikte uitgezet tegen de benodigde plaatdikte veroorzaakt door buigend moment.

Typen

De LP-platen zijn leverbaar in 9 verschillende typen. Deze 9 typen hebben alleen in lengterichting een verlopende dikte. Het is namelijk niet mogelijk een plaat te produceren die zowel in langsrichting als in dwarsrichting een zeker dikteverloop kent. Een overzicht van beschikbare type LP-platen is gegeven in tabel 1. De LP-platen zijn in verschillende afmetingen leverbaar. De in tabel 2 gegeven afmetingen zijn de maximaal mogelijke afmetingen en kunnen niet onbeperkt gecombineerd worden. Hiervoor heeft Dillinger Hütte GTS een computerprogramma ontwikkeld, dat controleert of de plaat die men eventueel wil toepassen ook daadwerkelijk leverbaar is. Zo niet, dan doet het programma een voorstel welke oplossing met LP-platen wel mogelijk is.
Constructiestaal en weervast constructiestaal zijn leverbaar, echter weervast constructiestaal wordt slechts op aanvraag geproduceerd. Constructiestaal wordt volgens EN 10025 en EN 10113-2 geleverd en weervast constructiestaal volgens EN 10155. De LP-platen worden geleverd in genormaliseerd gewalst staal en zijn verkrijgbaar in de staalsoorten S235, S355 en S460. Het is nog niet mogelijk om de LP-platen te produceren in thermomechanisch gewalst staal. De levertijden van de LP-platen bedragen net als de traditionele platen ongeveer 8 tot 10 weken. Het toepassingsgebied van LP-platen wordt begrensd door een aantal factoren:

Type




1



2


.

3.



4



5.



6.


7.

 

8.

9.

Tabel 1.
Beschikbare typen LP-platen.

Plaatlengte

£ 28 m bij een plaatgewicht £ 25 t

£ 25 m bij een plaatgewicht > 25 t

Plaatbreedte

£ 4300 mm (op aanvraag > 4300 mm)

Plaatdikte

³ 20 mm (volgens de norm £ 300 mm)

Plaatdikteverloop

£ 8 mm/m

£ 7,5 mm/m

£ 5 mm/m

Voor een plaatbreedte £ 3000 mm en een

dikteverschil £ 35 mm

Voor een plaatbreedte £ 3000 mm, plaattypen van 1 t/m 6 en een dikteverschil > 35 mm

Voor een plaatbreedte > 3000 mm

Dikteverschil D t

Indien kleinste plaatdikte ³ 40 mm:

 

Indien kleinste plaatdikte < 40 mm:

 

D t £ 55 mm voor plaattype 1 t/m 6

D t £ 35 mm voor plaattype 7 t/m 9

D t = (1,5 * kleinste plaatdikte)- 5 mm, maar maximaal 35 mm voor plaattypen 7 t/m 9

Plaatgewicht

£ 36 t

Tabel 2.
Afmetingen LP-platen.

Toepassingsgebied

Naarmate arbeidskosten t.o.v. materiaalkosten hoger liggen (bijvoorbeeld in geïndustrialiseerde landen) neemt de kostenbesparing bij toepassing van LP-platen toe. De LP-platen worden voornamelijk toegepast in de boven- en de onderflens van plaatliggers. Doorslaggevende factoren voor het gebruik van de LP-plaat zijn:

Voorbeeld, viaduct de la Haute Colme.

Deze Franse spoorbrug is in 1991 gebouwd en maakt deel uit van de hogesnelheidslijn Lille-Kanaaltunnel. De spoorbrug heeft een totale lengte van 1827 meter en is verdeeld in 48 velden van 25 tot 65 meter. De hoofddraagconstructie bestaat uit twee hoofdliggers met een hoogte van 2500 mm, een flensbreedte van 800 mm en een in lengterichting variërende flensdikte.













Figuur 3.

Viaduct de la Haute Colme.











Figuur 4.

Dwarsdoorsnede Viaduct de la Haute Colme.


Voor deze spoorbrug is een ontwerp gemaakt met de traditionele platen en vervolgens is dit ontwerp geoptimaliseerd met behulp van LP-platen. Bij de steunpunten zijn LP-platen toegepast en in de velden de traditionele platen.

 

 




Figuur 5.

Langsdoorsnede traditionele platen en LP-platen.

 

In de brug is voor 5200 ton staal aan platen verwerkt; daarvan is 1270 ton gebruikt voor LP-platen. De staalsoort met bijbehorende kwaliteit van de platen is S355K2G2. Door toepassing van LP-platen is 108 ton staal bespaard; dit is een reductie van 2,1 % van het totale staalgebruik. (Op de plaatsen waar de traditionele plaat is vervangen door de LP-plaat is zelfs een reductie van 8,2% gerealiseerd). Ook het aantal lasverbindingen is gereduceerd met 160; dit levert een kostenbesparing van 6% op.

Laskosten

Een van de voordelen van de toepassing van LP-platen is een reductie van de laskosten. De totale laskosten voor een verbinding worden bepaald door de voorbewerkingskosten, de eigenlijke laskosten en de kosten van nabehandeling. Van grote invloed op de totale laskosten is de gekozen lasnaadvorm, omdat deze de lasinhoud bepaalt en de mate van voorbewerking en nabehandeling. Voor de keuze van de lasnaadvorm zijn verschillende factoren van invloed:

Onder voorbewerkingskosten worden onder andere de kosten verstaan die gemaakt worden om de laskanten te maken. Voor de berekening van de voorbewerkingskosten voor de verschillende lasnaden wordt onderscheid gemaakt tussen twee groepen lasnaden. De eerste groep bestaat uit V, K en X-naden, omdat bij het maken van de laskanten de plaat onder een constante hoek wordt afgebrand. De tweede groep zijn de U-naden; voor het maken van de laskant moet de plaat worden geschaafd. De voorbewerkingskosten van de eerste groep worden onderverdeeld in de aan- en afvoer van de plaat naar de werkbank, het keren van de plaat op de werkbank (voor de X- en K-naad) en de kosten voor het branden van de laskanten. De eigenlijke laskosten kunnen met het programma Costcomp (NIL - product) worden berekend. Het programma biedt de mogelijkheid een scala aan lasnaadvormen door te rekenen.
Uitgaande van gebruikelijke (las)parameters zijn, ter illustratie voor een T-verbinding en een stompe verbinding, de laskosten (eigenlijke laskosten + voorbewerkingskosten) als functie van de plaatdikte en lasnaadvorm in onderstaande figuren gegeven.






















Figuur 6.

Laskosten T-verbinding.

























Figuur 7.

Laskosten stompe verbinding

(plaatdikte 10 40 mm).

 



















Figuur 8.

Laskosten stompe verbinding

(plaatdikte 30 80 mm).

Gezien de hoogte en de sterke toename van de laskosten bij toenemende plaatdikte, is het zinvol om na te gaan in hoeverre LP-platen deze laskosten kunnen reduceren.

Voorbeeld

Voor de Vlake verkeersbrug wordt ter illustratie voor de onderflens van de hoofdligger de relatie tussen staalsoort (incl. LP-plaat uitvoering) en de totale kosten gegeven. De ligger heeft een totale lengte van 174 m en toegepast is een staalsoort met een vloeigrens van 450 N/mm2.



Figuur 9.

Vlake verkeersbrug met dwarsdoorsnede.

De volgende alternatieven zijn beschouwd:

  1. Ontwerp met traditionele platen; staalsoort S355
  2. Ontwerp met LP-platen; staalsoort S355
  3. Ontwerp met LP-platen; staalsoort S460
  4. Ontwerp met traditionele platen; staalsoort S690.

De resultaten van een vergelijkend onderzoek naar materiaal- en laskosten zijn samengevat in figuur 10.
















Figuur 10.

Totale kosten onderflens van 1 plaatligger.

 Voor alternatief 1 is een meer gedetailleerd kostenoverzicht gegeven in figuur 11.


















Figuur 11
.

Procentuele verdeling van laskosten voor alternatief 1.

Gesteld kan worden dat een voorstudie met betrekking tot optimalisatie in gebruik van LP-platen en/of hoge sterkte staal een overweging waard is.
Op grond van ervaring met verschillende bruggen uitgevoerd in het buitenland blijkt dat bij toepassing van LP-platen een materiaalbesparing optreedt variërend tussen de 2 en 11% en een kostenbesparing (materiaal- en laskosten) variërend tussen de 1 en 6 %.

Referenties

Literatuurlijst

  1. Dillinger Hütte GTS, LP-Plates.
  2. Wilhem Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaft, Berlijn, 1988, K.Richter, H. Schmackpfeffer: Herstellung von LP-Blechen und deren verwendung im Brückenbau.
  3. 3rd International Symposium on Steel Bridges, World Trade Center Rotterdam, oktober 30 november 1,1996, N 97.
  4. Bodt, H.J.M., Nederlands Instituut voor Lastechniek, De totale beheersing van laskosten, oktober 1998.
  5. Wensveen, B.J.W., Afstudeerwerk "Toepassing van LP-platen in de bruggenbouw", 2000, TU-Delft, Mercon Steelstructures bv Gorinchem.

Internetsites