ing. M.J. Ossendrijver
In Zeeuwsch Vlaanderen is op het kruispunt van de toegangsweg naar de Westerscheldetunnel en de goe-derenspoorlijn naar het industrieterrein Dow-Benelux een ongelijkvloerse kruising gerealiseerd in de vorm van een opvallende betonnen hangtrogbrug met stalen portalen. Het resultaat is een mooi voorbeeld van het ultiem benutten van de materialen beton en staal. Een bouwrichting met grote mogelijkheden.
De tunnel inclusief bijbehorende infrastructuur is gebouwd in opdracht van de NV Westerscheldetunnel, met het Rijk en de Provincie Zeeland als aandeelhouders. Omdat de wegen van en naar de tunnel het omliggende landschap beïnvloeden is de Dienst Landelijk Gebied (DLG) gevraagd dit landschap opnieuw in te richten. Voor de inpassing van de wegen waren twee uitgangspunten belangrijk: het behouden/ versterken van de verschillen-de landschapstypen en het zorgen voor een rustig weg-beeld door samenhang te creëren tussen alle elementen langs het tracé, zoals de tunnelinritten, viaducten en geluidsschermen. Om deze samenhang duidelijk te maken werden twee centrale thema’s doorgevoerd die in alle elementen terugkomen, te weten de ronde vormen (in lijn met de geboorde tunnel) en de kleur zeegroen, conform het water van de Westerschelde.
Ontwerp en vormgeving
De toeleidende weg op Zeeuwsch Vlaanderen kruist de bestaande goederenspoorlijn van Sluiskil naar het industrieterrein Dow-Benelux onder een hoek van ongeveer 21° (figuur 1).
De spoorlijn ligt op een dijklichaam, circa 3 m. boven het maaiveld. Hierdoor lag het voor de hand de spoorlijn over de weg te voeren. Een tunnel viel om economische redenen af, zo wees een onderzoek van de Bouwdienst Rijkswaterstaat uit. ARCADIS onderzocht vervolgens in opdracht van ProRail de mogelijkheden van een spoortrogbrug. Een betonnen trogbrug, waarbij de dragende balken vlak naast het spoor zijn gesitueerd en één geheel vormen met de rijvloer waarop de trein rijdt. Voordeel van een trogbrug is de geringe constructiehoogte bij relatief grote overspanningen. Hierdoor diende het spoor over een kleinere lengte te worden verhoogd en kon de spoorbaan weer sneller op de hoogte van de bestaande spoorbaan worden aange-sloten. Door de kleine kruisingshoek bedraagt de totale lengte van de brug circa 124 m. Door het brede profiel van vrije ruimte van de toekomstige autosnelweg waren de traditionele plaatsingsmogelijkheden voor kolommen onder de balken van de trogbrug beperkt. Dit zou immers resulteren in (asymmetrische) overspanningen van 65 m. In het verleden door ARCADIS uitgevoerde verken-nende berekeningen voor trogbruggen in het algemeen gaven echter aan dat de maximale overspanning voor trogbruggen (met spoor in ballast) ligt op circa 50 tot 55 m. Een oplossing werd gezocht in het plaatsen van kolom-men naast de trogbrug, maar door de dan benodigde oplegbalk (h=2 m) zou het spoor in dat geval hoger c.q. de weg lager moeten worden aangelegd. Een betere optie was de kolommen naast de trogbrug tot ver boven de trog door te zetten en de brug aan een bovenbalk op te hangen, waardoor de hoogte van het spoor noch de weg aangepast hoefden te worden (figuur 2). Door het toepassen van hangportalen kon bovendien een tussensteunpunt extra worden gecreëerd waardoor de maximale overspanning werd gereduceerd tot 52,4 m. Een overspanning, waarvan inmiddels is aangetoond dat die haalbaar is.
Een hangportaal voor een trogbrug in het spoor is in Nederland slechts éénmaal eerder toegepast bij Woerden (eveneens door ARCADIS). De trogbrug is onder de portalen opgehangen met behulp van twee groepen van drie hangkabels per portaal. Per groep van drie kabels is een veiligheidsfactor van 2,3 aangehouden. Dat betekent dat mocht er een kabel breken de kracht door de overige twee kabels wordt opgenomen met behoud van een veiligheidsfactor van 1,6. De tussen-steunpunten zijn zo gekozen dat ze de brug symmetrisch maken, zowel in lengterichting als in dwarsrichting. Met name de symmetrie in dwarsrichting (trogbrug in het hart van het portaal) is van essentieel belang voor de krachts-werking in de hangportalen. De portalen zijn gefundeerd op 40 m. lange Tubex-palen die trillingsvrij zijn aangebracht. Een eveneens niet onbelangrijke factor was dat de trogbrug 10 m. uit de as van de bestaande spoorlijn gebouwd werd, waardoor de bouwactiviteiten zonder hinder van de treinexploitatie konden worden uitgevoerd.
De vormgeving van het kunstwerk is verzorgd door architect ir. J.A. van Belkum van ARCADIS. In samen-werking met onder andere het Buro Ruimte & Groen uit Borsele zorgde hij ervoor dat het ontwerp zo goed mogelijk voldoet aan de uitgangspunten zoals die waren vastgelegd in het landschapsplan en de architectuurnota voor het tracé Westerscheldetunnel.
Staal & beton
Omdat voor de weggebruiker met name de achttien meter hoge hangportalen opvallende elementen in het landschap zouden worden, werd in plaats van verticale, massieve betonnen portalen met een horizontale boven-balk gekozen voor slanke stalen boogconstructies in een doorgaande vloeiende lijn. De zijkant neigt hierbij naar binnen tot aan het profiel van vrije ruimte van de autosnelweg. Belangrijk punt was ook de stabiliteit van het portaal in de lengterichting van het spoor; reden om de uiteinden van de poten V-vormig te splitsen. In de richting loodrecht hierop was constructief weer een kleinere doorsnede mogelijk, zodat als totaal een krachtige, lenige vorm ontstond (figuur 3).
Uiteindelijk zijn hiermee portalen verkregen, die in een boogvormige con-structie over de trogbrug heen werden geplaatst en zorgden voor een door-gaande beweging die in het landschap oprijst en weer terugzakt (figuur 4).
De vloeiende lijnen van de portalen zijn terug te vinden in de vorm van de trog-brug (figuur 5).
Belangrijk voor de trogbrug is dat de afgeronde vorm niet alleen de ‘tubevorm’ benadrukt, maar ook de spanning van de krachten in de enorme overspanning visueel voelbaar maken. Bovendien is door de tubevorm de opgehangen trog-brug een zelfstandiger, losser element tussen de portalen geworden. De trog-brug start en landt in de landhoofden, die een extra accent krijgen door zowel het naar achter hellende voorvlak (figuur 6) als de stalen vinnen aan de zijkant, die de ronde vorm van de brug nog even vasthouden en voortzetten (figuur 7). De trog wordt bovendien opgevangen in oplopende zijvleugels van de landhoofden.
Als detailuitwerking heeft de zijkant van de trogbrug een alternerende tegelstreep in twee tinten zeegroen gekregen en is op de landhoofden een rietvormige baanstructuur verdiept in de beton aangebracht. Interessant detailelement is ook de lichte draaiing van de hangkabels, die ontstaat door de schuine krui-sing van portaal en trogbrug.
Constructieve aspecten
De ophanging van de trog met kabels aan schuin geplaatste stalen portalen is een bijzonderheid die in het constructief ontwerp van de brug de nodige aandacht vergde. In constructief kader is vooral geke-ken naar achtereenvolgens het dy-namisch gedrag van de trog onder treinbelasting en windbelasting; de dimensionering van de hangkabels en de bevestiging van de hangkabels aan de trog en tenslotte krachts-afdracht via de portalen naar de ondergrond, waarbij grote spat-krachten optreden.
Dynamisch gedrag onder treinbelasting
Het op- en afrijden van treinen op de brug leidt tot plotselinge toe- en afname van de belastingen op de trog. Als gevolg hiervan zal de trog in trilling worden gebracht, waar-door de interne krachten in de trog groter kunnen worden dan uit een statische berekening volgt. De verhouding tussen de werkelijk op-tredende (dynamische) krachten en de statisch berekende krachten staat bekend als de Dynamic Load Factor. De waarde van deze factor hangt voornamelijk af van de mas-sa van de trog; de buig- en torsie-stijfheid van de trog; de stijfheid van de opleggingen en de snelheid en massa van de passerende trein. In de vigerende ontwerpvoorschriften is een dynamic load factor van 1,1 voorgeschreven. Gezien het bijzon-dere karakter van de constructie is de dynamic load factor voor dit ontwerp echter gecontroleerd met behulp van het eindige-elementen-programma ANSYS. Uit de berekening blijkt dat met een dynamic load factor van 1,1 de dynamische effecten van een passerende goederentrein voldoende zijn afgedekt (figuur 8).
Dynamisch gedrag onder windbelasting
De trog vormt een obstakel voor de wind. Als gevolg hiervan ontstaan rondom de brug wervels die na hun ontstaan loslaten van de brug. Het loslaten van de wervels gaat gepaard met drukvariaties die de brug belasten en leiden tot trillingen van het brugdek. Bij windsnelheden tot 50 km/h treedt voornamelijk verticale buiging van het brugdek op. Voor hogere windsnelheden kan bij dit type bruggen een verschijnsel optreden dat bekend staat als ‘flutter’: het optreden van torsietrillingen in combinatie met verticale buigtrillingen. Flutter treedt op wanneer het loslaten van wervels en de eigentrilling van de brug elkaar versterken. De windsnelheid waarbij dit plaatsvindt wordt de kritieke windsnelheid genoemd. De kritieke windsnelheid hangt af van de stroomlijning van de brug, de verhouding tussen buig- en torsiestijfheid van de trog en de massa en vorm van de brug. Door een juiste keuze van deze parameters werd bereikt dat de kritische windsnelheid hoger ligt dan de windsnelheid die ter plaatse kan optreden. Het ontwerp van de hangtrogbrug is gecontroleerd met behulp van ontwerpgrafieken waarmee de kritische windsnelheid werd bepaald. Hieruit bleek dat de kritieke windsnelheid hoger lag dan 200 km/h waarmee flutter kan worden uitgesloten. (figuur 9)
Dimensionering hangkabels en bevestiging
De belastingen als gevolg van de trein en het eigen gewicht van de trog worden via hangkabels afgedragen naar de stalen portalen. Ieder ophangpunt bestaat uit drie kabels (twee ophangpunten per portaal). De kabels dienen voor het afdragen van de krachten naar de por-talen (uiterste grenstoestand) en het beperken van de vervorming van de trog (bruikbaarheidsgrenstoestand). Door de kabels te gebruiken ter beperking van de op-tredende doorbuiging kon de trog zelf minder stijf worden gedimensioneerd. Tegelijkertijd werden daarmee wel stijfheidseisen opgelegd aan de hangkabels. Het bleek dat de bruikbaarheidsgrenstoestand maatgevend was voor de dimensionering van de kabels. In de uiterste grenstoestand hebben de kabels een veiligheid van 2,3 tegen bezwijken.
De kabels en de bevestiging aan de trog staan bloot aan relatief grote belastingwisselingen, waardoor een controle op vermoeiing nodig is. De bevestiging van de kabels aan de trog is zodanig gedetailleerd dat de span-ning in de kabel gelijkmatig wordt overgedragen aan de trog. Hierdoor worden de piekspanningen beperkt en is de weerstand tegen vermoeiing voldoende groot. De vermoeiingssterkte van de kabels ligt hoger dan de vermoeiingssterkte van de bevestiging (figuur 10).
Dimensionering van de portalen
Via de kabels wordt de belasting ingeleid in de portalen. De portalen zelf zijn kokervormige constructies opgebouwd uit staalplaat. De kokers zijn inwendig verstijfd en ter plaatse van de ophanging van de kabels versterkt. Als gevolg van de belastingen worden de portalen op druk belast (figuur 11).
De portalen rusten op betonnen poeren. De benen van de portalen zijn schuin geplaatst. Deze schuine stand, in combinatie met de drukkracht in de portalen, leidt tot een spatkracht van 6000 kN die in de poeren wordt opgenomen. De fundering van de poeren is niet in staat om deze kracht op te nemen. In plaats daarvan zijn de poeren aan elkaar gekoppeld met een balk in voorge-spannen beton, die de spatkracht opneemt. Daarmee is het evenwicht van het portaal verzekerd.
Al met al tal van inventieve en fraai ogende oplossingen voor een ‘simpele’ spoorwegkruising!
Download hier het artikel in pdf-formaat 
