6.4.2 Voorinstelling translatie stalen oplegging

Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van het voorinstellen van de translatie van een stalen bolsegment oplegging. De horizontale voorinstelling is gedefinieerd als de mate van verschuiving (afgekort als “e”) van het hart van het bovenzadel ten opzichte van het hart van het onderzadel.

 

Figuur 6.4.2.a Voorbeeld van een stalen bolsegmentoplegging ‘Voorinstelling van translaties’

Let zorgvuldig bij alle communicatie over glijweg en voorinstelling op de richting van de voorinstelling:

  • + betekent van de vaste oplegging af, de afstand wordt groter.
  • betekent naar de vaste oplegging toe, de afstand wordt kleiner.
  • de voorinstellingmaat is gelijk aan de schaalmaat.

Voor een correcte uitvoering moet het totale oplegsysteem met de locatie van de vaste punten en de locatie van de betreffende oplegging dus altijd bekend zijn en bij grote voorkeur op de individuele tekening van de betreffende oplegging te staan of hiernaar verwijzen. De richting van de voorinstelling omschrijven in windstreek richtingen of ophangen aan geografische kenmerken is zeer af te raden.

Voorinstelling is nodig voor de beheersing van de volgende translatie veroorzakende aspecten:

  1. Constructietemperatuur
  2. Voorspanning, kruip en krimp
  3. Bouwfasering

Hieronder worden de verschillende aspecten toegelicht.

1. Constructietemperatuur

De klimatologische omstandigheden zijn per land verschillend. In het ontwerp van een oplegging wordt de glijweg gebaseerd op de voorgeschreven maximale temperatuurvariatie ten opzichte van de neutrale midden temperatuur. Voor Nederland geldt een neutrale middentemperatuur van 10°C. De glijweg wordt ook wel loopweg genoemd en is de capaciteit die een oplegging heeft om translaties van de constructie te volgen, zowel positief (zomer = uitzetting) als negatief (winter, krimp, kruip = verkorting)

De glijvlaklengte wordt bepaald door de som van de translaties die volgen uit de verschillende aspecten en de diameter van het glijmedium.

Op basis van de NEN EN 1991-1-5 Hoofdstuk 6 worden de temperatuurbelastingen op stalen en betonnen bruggen bepaald. Hierin wordt globaal de volgende temperatuurrange gehanteerd: voor betonnen bruggen van -15 tot + 35 °C en voor stalen bruggen van -15 tot + 45 °C. Er moet ook rekening worden gehouden met onzekerheden in de mogelijke temperatuuruitersten. Hiervoor kan +/- 15 °C extra worden gerekend. Zie ook hoofdstuk 4.

De karakteristieke uitzettingcoëfficiënt voor zowel stalen als betonnen bruggen is 1,0x 10 -5 /°C. Hiermee worden de voorinstelling berekeningen gemaakt

Voor het ontwerp van de glijwegen dient de rekenwaarde van 1,2 x 10 -5 /°C aangehouden te worden. Heel praktisch betekent dit:

Per 100m’ bruglengte is de uitzetting of krimp 1,2 mm bij een temperatuurverschil van 1 graad Celsius.

Voorbeeld:
Een betonnen brugveld met een lengte van 150 m’ tot zijn vaste punt ondervindt in de totale temperatuurrange vanaf winter tot zomer à 50 °C een uitzetting van: 1,5 * 1 mm/ °C * 50 °C = 75 mm. Ten opzichte van de neutrale midden temperatuur á 10gr C dient de glijweg aan beide zijden dus 37,5 mm te zijn.

2. Voorspanning, kruip en krimp

Translatie ten gevolge van voorspanning heeft twee aspecten. De eerste is direct optredende elastische verkorting van het brugdek ten gevolge van de voorspanning. De tweede is toekomstige kruipverkorting van het betonnen dek als gevolg van de constant aanwezig drukspanning. Kruip is een lange duur aspect. Ook na plusminus 40 jaar (kruip is dan voor plusminus 99% opgetreden) moet de oplegging binnen zijn glijweg functioneren.

Naast kruip speelt ook krimp van het beton een rol bij het steeds korter worden van het brugdek in de loop van de tijd.

3.  Bouwfasering

Er dient rekening gehouden te worden met het saldo aan bewegingen als gevolg van veranderende rustende belastingen tijdens de verschillende bouwfaseringen na het installeren van de opleggingen. Een voorbeeld hiervan is dat de opleggingen al worden ingesteld voordat het asfalt en/of betonnen druklagen worden aangebracht. Het moment van installeren van de definitieve oplegging (bijvoorbeeld vóór of na aanbrengen voorspanning) is ook van groot belang.

De effecten uit bouwfasering kunnen onderschat worden in oorzaak en grootte. De bouwfasering zoals onderkend in de vroege ontwerpfase, maanden voor de feitelijke uitvoering, kan wijzigen. Het is daarom zeer belangrijk zo dicht mogelijk op de start van de feitelijke uitvoering van de opleggingen nogmaals integraal tussen de constructeurs en de uitvoering te overleggen. Het verdient aanbeveling van dit overleg een stoppunt te maken in het verificatie proces.

De figuur “voorinstelling van translaties” visualiseert de correcte definitie van het technische begrip “glijweg“. Daarnaast is de rand te zien van een RVS plaat met zijn glijmedium en afdichting. De sealing/scraper is hierbij integraal onderdeel van het glijmedium (PTFE/UHMWPE). Deze sealing is bedoeld om vuil op het RVS voor zich uit te schrapen om te voorkomen dat vuil naar binnen komt en het glijmedium kan beschadigen. De sealing dient altijd in contact met het RVS te blijven. De maximaal toelaatbare glijweg van deze oplegging is dus de afstand van de rand van het RVS naar de buitenzijde van de sealing. De glijweg is dus NIET de afstand van het RVS naar de rand van het glijmedium

Voor de beheersing van het risico op een te korte glij weg en voor instelling is het aan te bevelen extra glij weg te introduceren bij het ontwerp van de opleggingen. Zie hoofdstuk.2 t/m 5. Hiervoor kan bijvoorbeeld plus en min 20% van het berekende worden aangehouden. Deze extra glijwegen zijn additioneel op de belasting en verplaatsingsfactoren volgens RTD 1012 (2017), bijlage A art. 1.1.3. Deze extra glijwegcapaciteit dan niet meenemen in de berekening van de voorinstelling. Bij de eindtoets van de oplegging op zijn translatiecapaciteit deze uiteraard wel meenemen.

De kosten van deze extra glijweg  zijn marginaal en kunnen voor het definitief ontwerp en prijsopgaaf van de fabrikant nog goed geïntroduceerd worden. Het gehele ontwerp van de opleggingen wordt hier mede “robuust “van.

Voorbeeld berekening en controle voorinstelling:

Deel 1 – Gegevens

  • Stel voor een oplegging onder een nieuwbouw voorgespannen dek á 150 m’  lengte. In dit voorbeeld ligt de vaste oplegging op één van de landhoofden. Beschouwd wordt de glijweg van de oplegging op het andere landhoofd (de systeemlengte tussen de beschouwde glijoplegging en de vaste oplegging bedraagt 150 m).
  • De temperatuurgradiënten zijn door de constructeur gesteld op maximaal +35 °C en minimaal -20 °C.
  • De elastische verkorting ten gevolge van de 100 % voorspanning is berekend op 30 mm, toekomstige verkorting door krimp/kruip op 20 mm. Dit zijn bewegingen naar het vaste punt toe. Daarmee zijn dit negatieve translaties -/-.
  • T.g.v. aanbrengen van de rustende belastingen tijdens de toekomstige bouwfase, na het voorspannen, buigt het dek nog door. Hierdoor wordt de zeeg in het dek iets platgedrukt en veroorzaakt een translatie van 10 mm van het vaste punt af. Dat is dus een positieve translatie +/+.
  • Ten behoeve van extra “robuustheid” wordt de glijweg vergroot met 15 mm in beide richtingen: daarmee is dit een reserve voor uitvoeringsvariabelen.

Deel 2 – Berekening translaties

Allereerst wordt door de constructeur van de brug de minimaal en maximaal optredende translatie berekend om de benodigde glijwegen in de ontwerpfase te kunnen vaststellen.

Tabel 6.4.2.b Berekening minimale en maximale translatie

Translatie veroorzakend aspect Negatieve translatie -/-

(naar het vaste punt toe)

Positieve translatie +/+

(van het vaste punt af)

Temperatuur Winter:
  • max afkoeling t.o.v. neutrale temperatuur (-20 ∼ +10) = 30 °C
  • max. translatie door afkoeling 1,2 * 10-5 * 150 * 30 = -0,054 m    = -54 mm
Zomer:
  • max opwarming t.o.v. neutrale temperatuur (+10 ∼ +35) = 25°C
  • max. translatie door opwarming = 1,2 * 10-5 * 150 * 25 = 0,045 m = + 45 mm
Voorspanning: Elastische verkorting

Krimp/kruip:

– 30 mm
– 20 mm
Bouwfasering   +10 mm
Extra glijweg (aanname )    – 15mm +15mm
Totaal -119 mm +70 mm

 

De glijweg van de oplegging moet dus voldoende ruimte bieden om (vanuit de neutrale positie gezien) een beweging van het dek 119 mm richting het vaste punt en 70 mm van het vaste punt af te ondergaan.

Deel 3 – Berekening voorinstelling

Vervolgens wordt de voorinstelling berekend. Let op dat de voorinstelling de translatie compenseert en dus diens tegenpool is. Voor een negatieve translatie is dus een positieve voorinstelling nodig en vice versa.

De oplegging wordt gesteld voor het stort, voorafgaand aan alle voorspanning. Op de dag van voorinstellen van de oplegging is het 6 °C. Dat is 4 °C kouder dan de neutrale temperatuur. Bij 4 °C temperatuurverschil hoort een translatie van 1,2 * 10-5 * 150 * 4 = 0,007 m = 7 mm. Omdat het 4 °C  kouder is dan de middentemperatuur betreft dit een translatie van het vaste punt af (positief). Het moet immers 4 °C opwarmen voordat de neutrale temperatuur is bereikt.  Hierbij hoort dus een negatieve voorinstelling van -7 mm. 

Tabel 6.4.2.c Berekening voorinstelling

Translatie veroorzakend aspect Voorinstelling e = Negatief -/-

(naar het vaste punt toe)

Voorinstelling e = Positief +/+

(van het vaste punt af )

Temperatuur -7 mm  
Voorspanning: elastische verkorting

Krimp/kruip

   + 30mm
   + 20mm
Bouwfasering  – 10 mm  
Totaal  – 17 mm  + 50mm

 

Totale benodigde voorinstelling voor het stort: ‘e’ : +/+ 50 mm, -/- 17 mm = +/+ 33 mm :

Het bovenzadel moet op deze dag 33 mm verder van het vaste punt staan dan zijn middenstand. Het bovenzadel wordt dus 33 mm verschoven t.o.v. onderzadel, van het vaste punt af (in bovenstaande figuur is de e dan +33 mm).

Deel 4 – Verificatie na realisatie

Bij de finale verificatie van de oplegging (in bijzijn van de fabrikant (zie hoofdstuk 6.8.3) is er een controle van de translatiecapaciteit van de oplegging uitgevoerd. Het dek is voorzien van alle rustende belastingen. Bij deze toets was de objecttemperatuur 26 °C. Aan de zijde van het vaste punt wordt een resterende glijweg gemeten van 75 mm. Aan de zijde van het landhoofd wordt een resterende glijweg gemeten van 114 mm.

De elastische verkorting t.g.v. de voorspanning en de translatie uit de bouwfasering zijn al opgetreden dus die worden nu niet meegerekend op deze oplever dag. De krimp- en kruipverkorting moet nog optreden. De toets bij deze temperatuur zou dan zijn als volgt:

  • Controle uiterste stand in koude winter bij -20 °C op einde levensduur (alle krimp en kruip opgetreden):
    • Temperatuurverschil t.o.v. meting = +26 °C ∼ -20 °C = -46 °C
    • Translatie t.g.v. maximale afkoeling = 1,2 * 10-5 * 150 * -46 = -0,083 m = -83 mm
    • Translatie t.g.v. krimp/kruip = -20 mm
    • Resterende glijweg aan zijde landhoofd = 114 – 83 – 20 = 11 mm
  • Controle uiterste stand in warme zomer bij +35 °C direct na de meting (alle krimp en kruip moet nog optreden)
    • Temperatuurverschil t.o.v. meting = +26 °C ∼ +35 °C = +9 °C
    • Translatie t.g.v. maximale afkoeling = 1,2 * 10-5 * 150 * +9 = +0,016 m = -16 mm
    • Resterende glijweg aan zijde vaste punt = 75 – 16 = 59 mm

De geverifieerde resterende glijweg in beide uitersten is meer dan 0 mm, dus het is akkoord. Niettemin is de resterende glijweg tijdens een koude winter minder dan de 15 mm reserve glijweg die tijdens ontwerp is aangehouden. Dit betekent dat ook echt een aanspraak is gedaan op de reserve. Er is dus een verschil opgetreden tussen de ontwerpwaarden en de praktijk. Deze verschillen tussen theoretische en buiten praktisch gemeten glijwegen doen zich vaak voor. Sluitende oorzakelijke verklaringen zijn vaak moeilijk te geven. Een onnauwkeurige meting van de correcte constructie temperatuur kan een oorzaak zijn (zie hoofdstuk 6.4.4). Ook het gedrag van de oplegging in zijn stortfase kan afwijken (Zie hoofdstuk 6.2). Relevant is de verklaring niet want er is immers nog een reserve glijweg van 11 mm en 59 mm in de uiterste maatgevende situaties. Als de extra glijweg van 15 mm niet in het ontwerp was meegenomen was er wel een afkeuring geweest. Dan was er een negatieve glijweg ontstaan van (11-15) = 4 mm! Het teflon zou dan worden beschadigd omdat het gedeeltelijk van het RVS glijvlak af zou lopen in een van de uiterste situaties. De opdrachtnemer is vervolgens blij dat hij de geringe meerkosten voor deze extra glijweg capaciteit op voorhand heeft gedragen. Dit scheelt veel validatie discussie in de opleverfase.

 

Voorinstelling breng je aan door het verschuiven van het boven zadel ten opzichte van het onder zadel (“e”). Hiervoor dienen dus de opleggingen voorzien te zijn van verstelbare voorzieningen: dit worden de transportbouten genoemd.
Het boven zadel en onder zadel van de oplegging is fabrieksmatig met deze transportbouten zuiver evenwijdig afgesteld, zodat bij montage waterpasse schuifvlakken ontstaan. Bij het aanbrengen van de correcte voorinstelling dient deze evenwijdigheid dan ook nadrukkelijk behouden te worden.
Deze evenwijdigheid wordt bewaakt door op een viertal punten de afstand tussen het RVS aan het boven zadel en karakteristieke punten op het onder zadel te meten. Deze tussenruimten moet gelijk zijn bij 4 tegenover elkaar liggende punten. Deze tussenruimte is af fabriek genoteerd en veelal staat deze maat op de bovenzijde van de te installeren oplegging. Deze tussenruimte wordt ook wel “kippspalt“ genoemd door Duitssprekende producenten.

Volgorde bij het aanbrengen van de voorinstelling van nieuwe opleggingen:

  1. Meting constructie temperatuur of inschatting maken verwachte constructie temperatuur bij het activeren van de oplegging.
  2. Noteren tussenruimten welke af fabriek zijn gemeten. (Maak altijd een foto van de bovenzijde oplegging)
  3. Transport bouten gelijkmatig kruislings (hand vast) losdraaien.
  4. Verschuiven boven zadel t.o.v. onder zadel naar de berekende voorinstelling ‘e’.
    Globaal kan de verschuiving afgelezen worden aan de meetschaal, doch de meest nauwkeurige methode is te meten naar de glijweg.
  5. Gelijkmatig, kruislings aandraaien van de transportbouten
  6. Controle evenwijdigheid boven en onder zadel via metingen aan de tussenruimten: de kippspalt. Deze dient tot op enkele tienden van mm overeen te komen met de fabrieksmatige instelling.

Het is niet ongebruikelijk, dat de fabrikant al een bepaalde voorinstelling heeft aangebracht. Dit kan overeengekomen zijn tussen uitvoering, constructeur en fabrikant en staat in dat geval op tekening vermeld. Met deze fabrieksmatige voorinstelling wordt een inschatting ingesteld voor de constructie temperatuur bij montage en zijn toekomstige bewegingen.

Het is zeer belangrijk, dat op de dag van montage er overeenstemming is tussen uitvoering en constructeurs over alle uitgangspunten en berekening ten aanzien van de te hanteren voorinstelling.
De berekening en beoordeling hiervan dus niet twee dagen voor de uitvoering pas starten!

Let op: bij het aanbrengen van de correcte voorinstelling mag de bovenplaat nooit gedemonteerd of iets opgetild worden. Het glijmedium moet ten allen tijden aangedrukt blijven door het eigen gewicht van het boven zadel. Als dit niet gebeurt, is er grote kans op het uitbollen van het glijmedium uit zijn kamer.
De oorzaak hiervan is dat elk glijmedium (PTFE (Teflon, maar ook UHMWPE) sterk onderkoeld in zijn opsluitkamer van het schuifzadel wordt gemonteerd. Als het medium vervolgens de temperatuur van zijn opsluitzadel aanneemt (met het bovenzadel op zijn pet zet het sterk uit en zit daardoor absoluut klem in zijn zadel. Het opnieuw aanbrengen van een glijmedium in zijn kamer kan alleen door de fabrikant of specialistisch bedrijf uitgevoerd worden. In geval van deze laatste optie dient het specialistische bedrijf toestemming te hebben van de fabrikant op toepassing haar herstelmethodiek.

In de praktijk wordt vaak een aanwijsschaal gebruikt om de voorinstelling inzichtelijk te maken. Zij hebben vooral waarde bij toekomstige inspecties. Met een aanwijsschaal is het mogelijk om de feitelijke translatiestand van een oplegging visueel te beoordelen op afstand. Dit zonder dat schorten en/of overige fysieke beschermingen van het glijmedium verwijderd hoeven te worden om de glijwegen te meten.

Aanwijsschalen hebben de volgende eigenschappen:

  1. Bij niet-haakse aflezing ontstaat een afleesfout (zie onderstaande foto’s).
  2. Hoe verder de ”pijl“ van de maatbalk afzit, hoe groter de afleesfout bij niet haakse aflezing.
  3. Aanwijsschalen zijn vaak van dun blik gemaakt en dus vervormbaar en onbetrouwbaar.
  4. De afleesnauwkeurigheid is beperkt tot +/- 5 mm.

De aanwijsschaal in onderstaande figuur staat op 25, want het boven zadel is naar rechts verschoven ten opzichte van het onder zadel. Het vaste punt van het totale oplegsysteem bevindt zich aan de linkerkant van de tekening. Het is dus +/+ 25 mm. Waarschijnlijk is het dus nu warmer dan 10 °C of het betreft een jonge voorgespannen constructie waarbij nog veel krimp en kruip wordt verwacht.

De identificatie als een plus of een min van gemeten voorinstelling kan alleen als het totale oplegsysteem onderkend is: het vaste punt moet bekend zijn (zie hoofdstuk 3).

6.4.2.d Glijwegmeting

 

Figuur 6.4.2.e Juiste aflezing van een aanwijsschaal: haaks
Figuur 6.4.2.f Aanwijsschaal onnauwkeurig bij schuine aflezing