Sana Amir

Membraandrukwerking in voorgespannen betonnen brugdekken

Een van de belangrijkste vraagstukken waarmee constructieve ingenieurs over de hele wereld te maken hebben is de veiligheid van bestaande constructies. In Nederland zijn een groot aantal in het vlak voorgespannen brugdekken voorhanden die gebouwd zijn in de vorige eeuw en nu moeten worden onderzocht op constructieve veiligheid in relatie tot de (toegenomen) verkeersbelasting, voor de rest van de geplande levensduur. Het uitgevoerde onderzoek richt zich op het ponsdraagvermogen van zulke brugdekken bij hoge geconcentreerde lasten (wiellasten). Het gebruik van de huidige bouwvoorschriften voor het bepalen van het draagvermogen leidt tot waarden, waaruit men zou kunnen concluderen dat de vereiste constructieve veiligheid niet wordt gehaald. Omdat de brugdekken echter niet alleen in hun vlak zijn voorgespannen, maar ook in hun vlak zijn opgesloten door het systeem van dragende brugliggers, kan verwacht worden dat bij belasten door verkeer membraandrukwerking (“gewelf-werking”) ontstaat, waardoor het draagvermogen in werkelijkheid groter is dan berekend met de eerder genoemde rekenmodellen. Hierdoor zijn dunnere dekken mogelijk, zonder dat problemen ten aanzien van de bruikbaarheidsgrenstoestand en de uiterste grenstoestand ontstaan.

De dissertatie begint met een introductie in het onderwerp van het onderzoek, waarbij in het kort de achtergronden en de doelstellingen worden toegelicht, en de strategie van het onderzoek wordt voorgesteld. Tevens worden belangrijke elementen uit de literatuur omtrent het ponsgedrag van in het vlak voorgespannen betonnen dekken behandeld, waarbij ook het onderwerp membraandrukwerking aan de orde komt. Eerst wordt hierbij ingegaan op de bezwijkmechanismen in het algemeen, waarna wordt overgegaan op de relevante methoden voor het analyseren van het gedrag en op bestaande berekeningsmodellen en voorschriften. Vervolgens komen de belangrijkste experimentele onderzoeken die tot nu toe zijn gerapporteerd aan de orde. De conclusie wordt getrokken dat het nodig is het draagvermogen van platen met voorspanning in het vlak, ondersteund door en verbonden aan betonnen draagliggers, door middel van een grootschalige proefneming experimenteel te onderzoeken. De belangrijkste reden hiertoe is dat experimenteel onderzoek tot nu toe vooral is gedaan aan platen op stalen liggers, dan wel met zeer kleinschalige tests, waarbij niet duidelijk is in hoeverre zij de (grootschalige) werkelijkheid representeren.

Om een betrouwbare basis voor de te onderzoeken problematiek te creëren is laboratoriumonderzoek uitgevoerd op een model van een werkelijke Nederlandse brug, nagebouwd op schaal 1:2. Het experimentele model bestond uit een dun, in het vlak voorgespannen betonnen dek (voorspanning zonder aanhechting), waarbij het dek werd gestort tussen de flenzen van lange voorgespannen liggers. Aan beide einden van deze liggers waren dwarsliggers aangebracht. Het aansluitvlak tussen het dek en de liggers was ofwel recht ofwel schuin. De belasting op het dek bestond uit enkele dan wel dubbele geconcentreerde lasten. Bezwijken trad steeds op door pons (ofwel bros, ofwel meer ductiel in combinatie met buiging). De breuk trad steeds op in het veld van het dek tussen de liggers, waarbij het contactvlak niet maatgevend bleek te zijn. Het effect van diverse parameters, zoals het niveau van de voorspanning, het type en de positie van de last(en) alsmede de grootte van het lastvlak en de helling van het aansluitvlak tussen dek en flens op het draagvermogen, was tevens onderwerp van studie.

Als onderdeel van het numerieke onderzoek werd een 3D, schaal 1:2 model van de echte brug, in navolging van het experimentele onderzoek, ontwikkeld, waarbij gebruik werd gemaakt van het FE programma DIANA. Hierbij werd een serie niet-lineaire analyses uitgevoerd. De resultaten van het numerieke onderzoek werden vergeleken met de proefresultaten. Hieruit bleek dat goede resultaten werden verkregen, die de geschiktheid van de benadering met het numerieke programma bevestigden. De normaalkrachten die optraden als gevolg van membraandrukwerking werden bepaald met behulp van samengestelde elementen. Een gedetailleerde parameterstudie werd uitgevoerd, waarbij numerieke parameters werden gevarieerd, zoals het elementennet, de grootte van de belastingstappen, en verder materiaalparameters en geometrische parameters aan de orde kwamen, afgestemd op het experimentele onderzoek. Verder werd het schaaleffect bestudeerd via een niet-lineaire analyse met het 3D model van de werkelijke brug, waaruit bleek dat een schaalfactor van 1,2 geschikt is om de resultaten van de proef (met plaatdikte van 100 mm) om te rekenen naar het gedrag van het brugdek op ware grootte (met plaatdikte van 200 mm).

Uit een theoretische analyse van het gemodelleerde brugdek bleek dat het draagvermogen van een betonnen dek met membraandrukwerking veel groter is dan voorspeld op grond van bestaande richtlijnen en theoretische methoden. Om het effect van membraandrukwerking ook in een analytisch model op te nemen werd als basis uitgegaan van de Kritische Dwarskracht Scheur Theorie, zoals gepresenteerd in de fib Model Code for Concrete Structures 2010. Het effect van de normaalkrachten in het vlak werd hierbij geïntroduceerd via een analyse met de elementenmethode. Berekeningen werd uitgevoerd met twee niveaus van nauwkeurigheid: elementair (zonder membraandrukwerking) en geavanceerd (met membraandrukwerking).

Algemeen werd vastgesteld dat het niveau van de voorspanning in het vlak het gedrag van het dek zowel in de bruikbaarheidsgrenstoestand als in de uiterste grenstoestand verbetert. Een gemiddelde veiligheidsfactor van 3,25 werd verkregen op grond van vergelijkingen tussen de experimenteel verkregen resultaten en de numerieke analyses van het dek op ware grootte. Geconcludeerd kan worden dat de bestaande bruggen van het beschouwde type in Nederland over voldoende extra draagvermogen beschikken door het effect van membraandrukwerking. Verder kan vastgesteld worden dat met een geschikt elementenprogramma het draagvermogen met goede betrouwbaarheid kan worden voorspeld.

Het onderzoek beschreven in de dissertatie, dat resulteerde in methoden voor de analyse van brugdekken rekening houdend met membraandrukwerking, heeft het potentieel om tot aanzienlijke kostenbesparingen te leiden, omdat met de ontwikkelde modellen kan worden aangetoond dat betreffende bruggen veilig genoeg zijn, ondanks de eerdere vermoedens dat dure versterkingsmaatregelen noodzakelijk zouden zijn. Een voorstel is geformuleerd om het effect van membraandrukwerking in de analytische modellen ter bepaling van het ponsdraagvermogen gegeven in de fib Model Code 2010 op te nemen.

Daartoe worden twee niveaus van berekening toegevoegd aan de bestaande eerste drie niveaus. Het nieuwe niveau IV maakt het gebruik van de Kritische Dwarskracht Scheur Theorie mogelijk, in combinatie met de berekening van de kromming van de plaat rondom de last met een NLFEM programma. Het nieuwe niveau V maakt de berekening van het ponsdraagvermogen met membraandrukwerking mogelijk via een op maat gesneden NLFEM berekening met samengestelde elementen.