ir. H.J. Vos en ir. D.J.M. Tuinstra
Inleiding
De brug is onderdeel van het 16 km lange traject van de HSL van Rotterdam tot Moerdijk dat weer een onderdeel is van de 100 km lange HSL lijn die gebouwd wordt tussen Amsterdam en de Belgische grens.
De opdrachtgever is het ministerie van Verkeer en Waterstaat, vertegenwoordigd door Rijkswaterstaat. De hoofdaannemer voor de infrastructuur is Bouwcombinatie HSL Drechtse Steden v.o.f., een samenwerkingsverband van Ballast Nedam, Van Hattum en Blankevoort, Strukton, HBG, CFE, TBI, Vinci en Van Oord ACZ.
Het ontwerp en de detaillering van de brug is uitgevoerd door IHD, een samenwerkingsverband van Iv-Infra en Ingenieursbureau Rotterdam, waarbij IHD geïntegreerd was in het ontwerpteam van de hoofdaannemer. De bouw, het transport en de montage van de stalen boven-bouw van de brug is uitgevoerd door de onderaannemer Staal Trio Moerdijk, een samenwerkingsverband van HSM, Hollandia en Mercon.
Algemeen
Het ontwerp van de HSL-brug over het Hollandsch Diep is in het najaar van 2000 gestart. Twee jaar later is het ontwerp voltooid en de bouw al zichtbaar gevorderd. Na een ongeval eerder dit jaar, waarbij een hamerstuk is verschoven, hebben de werkzaamheden vertraging opgelopen. Inmiddels zijn de voorbereidingen weer in volle gang zodat later dit jaar de oeververbinding een feit is. Het ontwerp van de architecten Benthem en Crouwel is uitgangspunt geweest voor de technische uitwerking. Het resultaat is een oeververbinding die totaal verschilt van de bestaande spoorbrug die ernaast ligt. Zowel de fundering, de draagconstructie, het rijdek als de spoorstaafbevestiging zijn geheel nieuw. De verschillen zijn een direct gevolg van de veranderende mogelijkheden en inzichten, tezamen met de eisen die het rijden met hoge snelheid stelt aan het spoor. Daarbij komt de grote scheepsstoot die de pijlers moeten kunnen weerstaan.
Ondanks de toegenomen technische mogelijkheden zijn de ontwerpers voor een aantal lastige keuzen gesteld om de gestelde eisen te realiseren.
Bij een scheepsstoot van 30 MN is de maximale blijvende vervorming beperkt tot 80 mm, en door het gewicht van de trein mag de constructie nagenoeg geheel niet vervormen, omdat anders het comfort van de reizigers terugloopt.
Pijlers en scheepsstoot
Naast het Programma van Eisen wilde de bouwcombinatie het werk op de rivier beperken. Met een gering aantal grote palen Ø 3000 mm, 4 of 5 per pijler, en een geprefabriceerd caisson dat op de rivier op de palen wordt neergezet is deze wens gerealiseerd. De pijlervoet moet in de eindtoestand geheel onder water blijven; alleen de schacht komt uit het wateroppervlak omhoog (afb.1). Uit de vele alternatieven is gekozen voor een open betonnen bak met een tijdelijke verhoogde wand als waterkering. Deze kan op de wal worden gemaakt, met een kraan in het water worden getild en naar de locatie worden gevaren. Op locatie aangekomen wordt deze bak gevuld met water, waardoor deze op de palen zakt. Het blijkt nogal lastig te zijn om met deze betonnen bakken te varen en ze zonder beschadigingen door sluizen te manoeuvreren. Daarom zijn de bakken na de pro-ductie in Kats op een ponton gezet (afb.2) die dichtbij de bouwplaats werd afgezonken, waardoor de betonnen bakken gingen drijven. Het afzinken boven de paalfundering door het vullen met water leidt tot instabiliteit van de met water gevulde bak. Om dit tegen te gaan is tijdens het afzinken een deel van het gewicht door een kraan opgenomen. Zo zakte de bak rechtstandig op de palen.
Om wapening en beton in de betonnen bak aan te brengen moet deze worden leeggepompt. Dat leidt tot opdrijven. Daarom wordt eerst de bak aan de palen vastgemaakt en daar-na leeggepompt. Dit bevestigen moet dus onder water gebeuren en de verbinding moet ster-ker zijn dat het opdrijvend vermogen van de bak. Ook moet de uittreksterkte van de palen groter zijn dan de opdrijfkracht, anders gaat de bak bij leegpompen met palen en al omhoog. In de vloer van de betonnen bak zijn, ter plaatse van de palen, staalplaten voorzien (afb.3). Na het plaatsen zijn daarin gaten gebrand, precies boven de palen. Door deze gaten zijn wapeningskorven (afb.4) ingebracht met ankerplaten. Balken op de vloer van de betonnen bak, bevestigd aan de ankerplaten, voorkomen het opdrijven nadat de palen over de bovenste 7,5 m met onderwaterbeton zijn gevuld. De binnenkant van de buispalen is voorzien van een groot aantal ingelaste ringen die de krachten uit het onderwaterbeton op de paalwand overdragen. (afb. 5)
De scheepsstoot van 30 MN grijpt aan op 3 m boven het wateroppervlak, in de vaarrichting, dus loodrecht op het spoor, of onder een hoek van 45º. Dit laatste geeft een stoot in de rijrichting van 21 MN. De pijlers moeten smal zijn in verband met de doorvaartbreedte, in elk geval niet breder dan de pijlers van de bestaande brug. In de vaarrichting wordt de maat alleen begrensd door constructieve en economische overwegingen. De stootcomponent loodrecht op de vaarrichting blijkt maatgevend. Door deze te verdelen over verschillende pijlers, wordt voldoende sterkte en stijfheid verkregen. Doken en pijlers brengen de scheepsstoot over naar de brug en naar de volgende pijler en zorgen zo voor voldoende weerstand.
Stijfheid en comfort
De afstand van pijler tot pijler (105 m.) wordt door de hogesnelheidstrein afgelegd in een tijd die samenvalt met de eigen trillingstijd van de brug. Dit is uitlokking tot resonantie. En treinwielen kunnen op de brug niet uit de pas gaan lopen. Om de invloed van pijlerzetting na te gaan, zijn er berekeningen gemaakt voor een pijlerzetting van 100 mm. Dat blijkt geen merkbaar effect te hebben op het comfort: de halve golf is dan 210 m lang en de trein volgt deze ‘deuk’ zonder probleem. Pijlers dichter bij elkaar zetten is geen optie: de verkeersbrug aan de westkant en de spoorbrug aan de oostzijde hebben dezelfde pijlerafstand, een eis vanuit de scheepvaart. Bovendien is de eigen frequentie van de rijtuigen in dezelfde grootteorde. Alle ingrediënten om de passage van de brug op een ritje met een hobbelpaard te laten lijken, zijn aanwezig.
De brug moet daarom zeer stijf worden geconstrueerd om in de meest ongunstige omstandigheden een comfortabele passage mogelijk te maken. Comfortabel betekent in feite dat de reiziger niet merkt dat de trein over de brug raast, behalve door het uitzicht (en dat is mooi!). Die ongunstige omstandigheden worden bepaald door temperatuurvervorming, door elastische vervorming door de trein en door kruip van het beton van het dek na verloop van jaren. De elastische doorbuiging kan worden beperkt door de brug een voorkromming te geven: de trein rijdt de ligger vlak. Het gaat om kleine getallen: enkele mm bij de overspanningen van 105 m. Deze waarden zijn zo minimaal, dat ze wegvallen tegen de fabricagetoleranties van de stalen liggers en het betonnen dek. De uiteindelijke nauwkeurigheid komt eerst tot stand bij het afstellen van de rail. Deze wordt aan de rail-kop afgesteld en daarna wordt de railbevestiging in beton ingegoten. Zo zijn alle toleranties in één keer ondervangen.
De stijfheidseis blijft echter van toepassing. Er zijn verschillende mogelijkheden onderzocht om die te realiseren:
1. Voorspannen van het betonnen rijdek
- door voorspanstrengen
- door vijzels
- door de wijze van monteren;
2. Meerekenen van de treksterkte van het beton;
3. Vergroting van staaldoorsnede en hoeveelheid wapening in het dek;
4. Vergroting van de oplegging op de pijlers
Door de aard van de belastingen zal plaatselijk trek in de betonnen dekplaat optreden. De daarbij optredende scheurvorming kan weliswaar door de juiste manier van wapenen binnen aanvaarde grenzen blijven, maar de stijfheid neemt zeker af. Voorspannen vergroot de complexiteit van de uitvoering fors en is kostbaar. Voorspan-nen met vijzels kan pas plaatshebben als het hele dek is aangebracht. Dit heeft ingrijpende gevolgen voor de planning. De onderlinge afhankelijkheden nemen toe en de bouwtijd overschrijdt de beschikbare periode. Het dek onder druk brengen en houden door de montagemethode lijkt een eenvoudige oplossing. Het betekent echter een vergroting van de transportproblemen: de secties zouden 105 m lang moeten worden, te zwaar om met beperkte middelen op hoogte te plaatsen en te hoog om onder de verkeersbrug door aan te voeren. Bovendien zou niet al het beton onder druk komen en zouden aanvullende maatregelen nodig zijn.
Meerekenen van de treksterkte en –stijfheid van het beton is vanuit de voorschriften niet voldoende te onderbouwen. De trekstijfheid van gescheurd beton is gering, maar tussen de scheuren is het beton niet gescheurd en draagt het bij aan de stijfheid. De invloed zal ongetwijfeld gunstig zijn, maar het is moeilijk aan te tonen in welke mate dit het geval zal zijn.
Er is derhalve gekozen voor een combinatie van de laatste twee mogelijkheden. Op de oorspronkelijke cilindervormige pijler was de beschikbare ruimte juist voldoende om een lijnoplegging te plaatsen. Deze heeft geen enkele inklemming. In overleg met de architect is een rechthoekige pijlerkop gekozen die ruimte biedt aan vier opleggingen (afb.6). De beperkte inklemming – de vier opleggingen staan vrij dicht bij elkaar – geeft het geheel juist de extra stijfheid die voor het comfort is gewenst. Lokaal boven de steunpunten zijn breedte en dikte van de flens vergroot.
Lengteveranderingen tengevolge van temperatuursverschillen
De nieuwe HSL-brug is een constructie uit één stuk. Dat geldt in overdrachtelijke zin voor de kloeke vormgeving en letterlijk voor de constructieve kant. De lengte van het rivierdeel, de toeritten op beide oevers niet meegerekend, bedraagt 1190 m. Het heeft geen zin meer decimalen te geven als daarbij de temperatuur niet wordt vermeld. Tussen koud en warm zit bijna een meter verschil. In de rails is aan beide einden een compensatie-inrichting voorzien om deze lengteverandering voor het spoor op te vangen. Het vaste punt van de brug is in het midden van de constructie geplaatst om de vorderingen gelijk naar beide oevers te verdelen. Veel langer had de constructie niet kunnen worden, omdat de capaciteit van de compensatieinrichting begrensd is. Behalve de middelste drie pijlers, die als vast punt fungeren, zijn alle pijlers, alsmede de landhoofden voorzien van glijdende opleggingen. Het zal niet vaak voorkomen dat een glijoplegging onder een helling wordt geplaatst, maar hier is dat wel het geval: het alignement vertoont bij de overgangen bruglandhoofd een helling van 2,5 % en de opleggingen zijn evenwijdig daaraan geplaatst. Zo wordt een hoogteverschil in de rail voorkomen.
Staal en beton lopen over de volledige lengte door, zonder dilataties. Ook de rails zijn uit één stuk, wat het comfort van de reiziger vergroot en slijtage aan het treinmaterieel beperkt. De samenwerking van staal en beton geeft een stijve constructie. Voor het reizigerscomfort is dat nodig, omdat een kleine vervorming in het hart van elke overspanning en geen vervorming boven de steunpunten, leidt tot een ongewenst wasbordeffect dat tijdens een treinpassage elf keer optreedt. Het comfortcriterium is vanwege het repetitieeffect zeer strikt: de versnellingen die over de gehele lengte optreden, worden na sommatie beoordeeld. Dat doet recht aan het feit dat een eenmaal optredende onregelmatigheid als minder storend wordt ervaren dan een repeterend gehobbel.
De veldliggers zijn zeer stijf door de samenwerking van staal en beton. Het betonnen dek is met deuvels aan de flenzen van de staalconstructie verbonden. Tijdens het storten van het dek bij de constructiewerkplaats in Schiedam (afb.7) wordt de stalen ligger op vier punten ondersteund, waardoor er weinig spanningen in het staal ontstaan. Eerst na verharden van het beton zijn de tussensteunpunten verwijderd, waardoor het eigen gewicht wordt opgenomen door de samengestelde, en daardoor zeer stijve ligger. Om te verzekeren dat tijdens het storten en verharden van het betonnen dek geen ongewenste spanningen optreden, is de hoogte van de steunpunten in deze fase continu gemeten en zonodig gecorrigeerd. De verschilzetting tussen eind- en tussensteunpunten is daarmee beperkt tot enkele millimeters. Zo kan met een relatief eenvoudige fundering toch een zettingsvrije ondersteuning worden gecreëerd, die toelaat dat de goede zeeg en spanningsverdeling ontstaat als het beton is verhard.
Extreem gevoelig voor verschilzettingen is het overstek van het dek buiten de hoofdligger. Zelfs het genoemde zettingsverschil van enkele millimeters tussen de bekisting onder de uitkraging en de stalen ligger kan tot ernstige beschadiging leiden op de plaats waar het dek op de bovenflens van de stalen ligger rust. Daarom is ervoor gekozen de bekisting van deze uitkraging op de hangen aan de stalen ligger, in plaats van af te steunen op steigerwerk vanaf het maaiveld. Als er dan een zetting optreedt, zakt de uitkraging mee en bij het corrigeren van de zetting wordt de uitkraging meegecorrigeerd.
De veldliggers zijn compleet met betonnen dek naar de bouwplaats vervoerd en worden daar ingehesen tussen de opgestelde hamerstukken (afb.8). Het dek van de hamerstukken wordt op de bouwplaats gestort. Voor het uitkragende dek is dezelfde bekisting toegepast als bij de veldliggers, bevestigd aan de stalen ligger. Het is niet mogelijk de hamerstukken met betonnen dek aan te voeren en op de pijlers te zetten. Omdat de hamerstukken onder de verkeersbrug door worden aangevoerd, moeten deze vanuit de positie ‘op zijn kant’ op een ponton, met een bok overeind worden gekanteld en op de pijler worden geplaatst. Met betonnen dek erop is dat niet mogelijk.
Dit heeft een bijkomend voordeel dat door het storten van het beton op het hamerstuk nadat de veldliggers zijn ingehangen, de scheurvorming in het dek wordt gereduceerd. Om de trekspanningen in het betonnen dek op de hamerstukken verder te beperken, zijn stortvoegen opengelaten die worden gestort nadat het dek is verhard (afb.9). Door deze wijze van uitvoering is er boven de steunpunten nog trekcapaciteit in het betonnen dek. Volgens de Nederlandse normen mag hiermee niet worden gerekend. In de Eurocode 4, deel 2 (staal-betonbruggen) wordt een methode aangereikt om deze capaciteit in rekening te brengen. Bij nadere bestudering blijkt dit echter geen werkbare methode. Zodoende is er, om aan de stijfheidseisen te voldoen, extra trekcapaciteit voorzien door toevoegen van de wapening en het verzwaren van de bovenflenzen.
Oud en nieuw
De keuzen die in het ontwerp zijn gemaakt zijn gericht op een 100-jarige levensduur. Het architectonisch ontwerp staat de invulling van deze eis niet in de weg. Het naadloze dek zorgt ervoor dat de onderliggende constructie een dak boven zijn hoofd heeft. Die onderliggende constructie is een uit gladde vlakken gevormde constructie, vrij van plaatsen waar vuil en vocht zich kunnen ophopen. Dat impliceert niet dat er geheel geen onderhoud zal moeten worden uitgevoerd, maar wel dat het onderhoud, aanzienlijk eenvoudiger is dan bij de bestaande spoorbrug ernaast. Rondom kan de constructie worden geïnspecteerd en onderhouden. Het dek biedt ruimte voor vluchtpaden, inspectiepaden, kabelkokers en waterafvoer. De toegankelijkheid van de onderdelen is verzekerd. Dat is bij de bestaande brug wel anders. Niet dat de prestatie eertijds daarom minder was. We kunnen ons erover verbazen dat met de middelen van toen, zonder reken- en tekensystemen en zonder de grootschalige werktuigen die nu heel gewoon zijn, toch zulke grote werken konden worden uitgevoerd. Misschien zouden de bouwers van toen wel jaloers zijn op de middelen die ons nu ter beschikking staan.
Download hier het artikel in pdf-formaat 
