1.1 Combinatie van staal met beton

Het idee achter een staalbeton brug is de materialen staal en beton zodanig toe te passen dat een optimaal ontwerp wordt verkregen. Het begrip optimaal ontwerp is zeer rekbaar. Aspecten die hiermee in verband staan zijn talrijk:

De materiaaleigenschappen van het staal en het beton in ogenschouw genomen zijn m.b.t. tegenstellingen enkele kenmerkende conclusies te trekken.

(Ontwerp)aspect

Stalen brug

Betonnen brug

Eigengewicht brugligger

+

-

Kosten onderbouw

+

-

Dynamisch gedrag

-

+

Vermoeiingssterkte

-

+

Stabiliteit onderdeel

-

+

Op trek belast onderdeel

+

-

Duurzaamheid

-

+

Geluidemissie

O

+

Materiaalkosten

-

+

Fabricage

-

+

Montage

+

-

Aanpassing

+

-

De motivatie van een staalbeton toepassing is de materialen zodanig te combineren dat de nadelige gevolgen van de (ontwerp)aspecten waar mogelijk teniet worden gedaan.
In het buitenland zien we een brede toepassing van staalbeton bruggen. Gewoonlijk betreft het hierbij plaatligger-, vakwerkligger-, en kokerliggerbruggen met een hooggelegen betonnen rijvloer en een stalen hoofddraagconstructie.
Een staalbeton brug uitgevoerd als boogbrug of tuibrug komt beduidend minder vaak voor, hoewel beide brugtypen zich ook hiervoor prima kunnen lenen. Dit geldt in het bijzonder voor de tuibrug met als bijkomende gunstige eigenschap dat als gevolg van de tuischikking een drukkracht in de rijvloer wordt geïntroduceerd. De grootte van de drukkracht, het normaalkrachtenverloop in de rijvloer, is door het ontwerp te sturen. Zo is het normaalkrachtenverloop bij toepassing van een harp-tuischikking sterk afwijkend t.o.v. een waaier-tuischikking. Vanwege deze normaalkracht (drukkracht) behoudt het beton zijn stijfheid.
Het argument vóór toepassing van staalbeton bruggen steunt, naast optimaal gebruik maken van de gunstige eigenschappen van het staal en het beton, tevens op de combinatie van:

Een registratie van bruggen, uitgevoerd in 1996 in Duitsland, geeft ten aanzien van aantal bruggen versus overspanning de volgende verdeling.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 









Figuur 1.1
Overzicht bruggenbestand Duitsland: 1996


Een dergelijke verdeling geldt voor alle West-Europese landen.
Ten aanzien van het marktaandeel van staalbeton bruggen is figuur 2 illustratief.

 

Figuur 1.2
bruggenbestand gelegen in hoofdwegen
Frankrijk 1994

1= staal
2=composiet (staal+beton)
3=steen/beton
4=voorgespannen beton

Aanvullend bij figuur 2 wordt vermeld dat de bruggen met een overspanning kleiner dan ca. 30 m meestal in beton zijn uitgevoerd en dat de composiet bruggen het meest worden toegepast binnen het overspanningsgebied 40 -100 m. Meer gedetailleerd, voor spoorbruggen geldt het bereik van 40 - 50 m.
Het feit dat een bepaald type brug in het buitenland veel wordt toegepast wil nog niet zeggen dat dit voor Nederland dan ook zou moeten gelden. Factoren die hierbij een rol spelen zijn o.a. de verhouding van materiaalprijs beton en staal, klimaat, gewenste constructiehoogte, intensiteit van het verkeer en zwaarte van het verkeer. Voor een vlak landschap leidt een grotere constructiehoogte er automatisch toe dat de op- en afritten naar en van de brug c.q. viaduct zullen moeten worden verhoogd. De kosten van die op- en afritten zijn relatief gezien vaak hoger dan die van het viaduct. Ter illustratie is in figuur 1.3 een voorbeeld van de kostenverdeling van een in Nederland gebouwd viaduct, dat is uitgevoerd in betonkwaliteit B45, gegeven. Duidelijk zichtbaar is dat de kosten van de op- en afritten veruit het merendeel vormen van de totale kosten.

Figuur 1.3

Aandelen van de kosten voor een viaduct uitgevoerd in beton B45

1=voorspanning
2=wapening
3=beton
4=bekisting
5=afbouw
6=onderbouw
7=op- en afritten


In het bijzonder de toepassing van een stalen orthotrope rijvloer is in het buitenland veel aan kritiek onderhevig. Vandaar dan ook het brede toepassingsgebied van een betonnen rijvloer.
Echter, in de praktijk blijkt ook frequent schade aan betonnen rijvloeren op te treden. Hierbij moet gedacht worden aan betonrot veroorzaakt door o.a. intensief gebruik van dooizouten.

Een door velen gedeelde opvatting is dat een stalen orthotrope rijvloer alleen verantwoord is bij:

Hoofdoverspanning [m]

Materiaalgebruik hoofddraagconstructie

(incl. rijvloer)

< 400

Beton

400 700

Staalbeton

> 700

Staal


Het streven naar een laag eigengewicht leidt voor bruggen met een grote overspanning ook steeds meer tot verschillend materiaalgebruik over de liggerlengte. Bijv. enkel staal t.p.v. het veldmidden.









Figuur 1.4

Verschillend materiaalgebruik over de liggerlengte; Frankrijk, Chevire' over de Loire

Uitbreiding van wegcapaciteit
beperkt draagvermogen onderbouw.

Lage verkeersbelasting/intensiteit
geen zware eisen t.a.v. de vermoeiingslevensduur staalconstructie en deklaagsysteem.

Brug met een tijdelijk karakter
korte ontwerplevensduur.

Wanneer rekening wordt gehouden met een ontwerplevensduur van bijv. 100 jaar, dan impliceert dit direct de wens om een constructie te bedenken waarbij de rijvloer op een acceptabele wijze kan worden vervangen. Hierbij is een staalbeton brug t.o.v. een stalen brug en een betonnen brug in het voordeel. Een bijkomstig verschijnsel dat nauwelijks aandacht krijgt is het feit, dat gelet op de lange ontwerplevensduur van een brug met de daarin verscholen onzekerheden t.a.v. de wijze waarop de ontwikkeling van de vervoersbranche plaatsvindt, een rijvloer voor verkeersbruggen min of meer om een robuust karakter vraagt zodat eventuele wijziging van zwaarte en intensiteit van verkeer niet na bijvoorbeeld tien jaar reeds tot sterkteproblemen leidt. Uiteraard is dit motief sterk locatieafhankelijk.

Een onderschat aspect waar de soort rijvloer mede debet aan is, is de (te) korte levensduur van deklaagsystemen op bruggen. Illustratief is het voorbeeld van hoekverdraaiing nabij de hoofdligger, wat een periodieke verlenging c.q. verkorting veroorzaakt van de slijtlaag, die vervolgens schade teweeg kan brengen. Een dergelijk verschijnsel kan worden voorkomen door het toepassen van een meer stijve rijvloerconstructie.

 

 

 

 

 

 

 

 


















Figuur 1.5

Gedrag stalen orthotrope rijvloer bij passage zwaar verkeer met wielprent belasting.

 

 

 





Figuur 1.6

Voorbeeld van een "dik" oplegsysteem: de opbouw van de deklagen van de tweede Van Brienenoordbrug.

Een tweetal staalbeton verkeersbruggen in Nederland zijn in uitvoering: de brug bij Veghel (1999-2000) en de brug bij Kampen (2000-2001). Daarnaast bestaat er een in 1998 gebouwde zgn. staalbeton tuibrug te Capelle a/d Ijssel ten behoeve van personentransport via een geautomatiseerd onbemand busje.








Figuur 1.7

Bouw staalbetonbrug bij Veghel.

Naast de "traditionele" brugconcepten zien we in het buitenland steeds vaker de toepassing van integrale staalbeton bruggen. Bij dergelijke bruggen zijn de onderbouw en de bovenbouw een monolithisch geheel: d.w.z. brugopleggingen en expansievoegen (afgezien van asfaltvoegen) ontbreken, waarmee o.a. een duurzame constructie wordt verkregen.

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur 1.8

Bouw van een integrale staalbeton brug.


film: Integrale brug bij Son en Breugel

1.2 Voorschriften

Bij de (integrale) staalbeton brug geldt een samenwerking van drie verschillende materialen: staal beton grond. Zodoende vergt het ontwerp en de vervaardiging van een dergelijke brug een brede kennis van de inhoud van o.a. de volgende Europese normen:

Ontwerpgericht

ENV 1992-2: Design of concrete structures: concrete bridges.
ENV 1993-2: Design of steel structures: steel bridges.
NVN-ENV 1991-3: Ontwerpgrondslagen en belastingen op constructies: verkeersbelastingen op bruggen.
NVN-ENV 1994-2: Ontwerp en berekening van staalbetonconstructies: staalbeton bruggen.
ENV 1997: Geotechnical design.

Geheel losstaand van de Europese voornormen bestaan de nationale normen

NEN 6788: Het ontwerpen van stalen bruggen.
NEN 6786: Voorschriften voor het ontwerpen van beweegbare bruggen.
NEN 6723: Voorschriften beton. Bruggen.

Vanzelfsprekend wordt bij het ontwerp gewerkt met een geïntegreerd samenspel van materiaalfactoren, belastingfactoren, belastingcombinaties en grenstoestanden (ULS, SLS).Een willekeurige toepassing van nationale normen in combinatie met Europese normen creëert een onjuist ontwerp.


Productgericht

NEN-EN 10025: Warmgewalste produkten van ongelegeerd constructiestaal.
NEN-EN 10113: Warmgewalste produkten van lasbaar fijnkorrelig constructiestaal.
ENV 10080: Steel for the reinforcement of concrete.


Fabricage/montage gericht

ENV 1990: Execution of steel structures.

1.3 Kostenvergelijking

De keuze in het toepassen van een stalen brug, betonnen brug of een staalbeton brug, eventueel integraal uitgevoerd, is niet zo gemakkelijk te maken. Echter, een geoptimaliseerde keuze laat voor de mogelijke alternatieven vaak grote prijsverschillen zien.

Dat elke brug, afgezien van bruggen met een overspanning kleiner dan ca. 20 m, als uniek kan worden beschouwd valt direct af te leiden uit het scala aan projectspecifieke randvoorwaarden.

Wanneer naar projectspecifieke eisen wordt gekeken, dan valt de volgende opsomming te maken:

Een recent uitgevoerd onderzoek naar kostenaandeel van de verschillende materialen (incl. verwerking etc.) voor een tuibrug geeft als resultaat:

- beton f. 1.150,-- /m3
- constructiestaal (excl. rijvloer) f. 4,-- / kg
- orthotrope stalen rijvloer f. 7,--/ kg
- tuikabels f. 14,--/kg

Enkel gekeken naar de rijvloer is geconcludeerd dat, bij toepassing van een betonnen rijvloer met een dikte van 300 mm en bij toepassing van een stalen orthotrope rijvloer met een eigengewicht van 200 kg/m2 , de volgende verdeling geldt:

Betonnen rijvloer

Stalen orthotrope rijvloer

Verhouding beton/staal

e.g. [kg/m2]

kosten [f./m2]

e.g. [kg/m2]

kosten [f./m2]

e.g. [kg/m2]

kosten [f./m2]

720

345,--

200

1.400,--

3,60

0,25


Tabel 1.3 Vergelijking eigengewicht en kosten rijvloer tuibrug.