Voegovergangen

Dilatatiecapaciteit en weerstand tegen oplegde vervormingen vanuit de constructie

Lamellenvoegen hebben een grote capaciteit in de hoofdrichting. De voegbeweging wordt door een stuurmechanisme verdeeld over de afstanden tussen de lamellen. Iedere spleet mag maximaal 80 mm zijn volgens de regelgeving (loodrecht op de lamel gemeten). Bij toepassing van geluidreducerende sinusplaten kan de spleet groter zijn doordat het verkeer niet meer direct over de spleten rijdt maar over de overlappende sinusplaten. Hierdoor is de capaciteit per spleet circa 100mm. De maximale totale capaciteit in hoofdrichting is afhankelijk van het type en wordt verder behandeld in paragraaf 4.7.3 t/m 4.7.6.

De capaciteit in dwarsrichting verschilt sterk per type. Concepten 7.1 en 7.4 zijn starre systemen met weinig flexibiliteit in dwarsrichting. Slechts kleine bewegingen (mm’s) kunnen opgenomen worden. Concepten 7.2 en 7.3 zijn veel flexibeler en kunnen grote voegbewegingen in dwarsrichting opnemen. De capaciteit in dwarsrichting wordt dan begrensd door de ruimte in de traversekasten.

In verticale richting kunnen alle lamellenvoegen grote voegbewegingen aan. De maximale voegbewegingen worden in principe begrensd door de toelaatbare helling/knik in het verticale alignement van de weg bij de minimale voegopening. De opleggingen van de traversebalk en ruimte in de traversekasten staan in principe grote rotaties toe.

Bij voegbewegingen ontstaan er ten gevolg van de voorspanning  wrijvingskrachten in de glijvlakken, zie ook paragraaf 2.2.2.

De wrijvingskrachten leiden tot slijtage in de glijdlagen van de drukveren en opleggingen, zie ook paragraaf 2.3.2.2. Verlies aan dikte van het glijdmateriaal kan leiden tot onvoldoende voorspanning waardoor het dynamische gedrag van het systeem verandert en de traversebalken kunnen gaan klapperen. Opleggingen en drukveren zijn daarom onderdelen die per definitie niet de zelfde levensduur hebben als de rest van het systeem en daarom vervangbaar moeten worden ontworpen. De snelheid van slijtage en de levensduur van de vervangbare onderdelen is afhankelijk van de cumulatieve loopweg als gevolg van voegbewegingen uit verkeersbelastingen en thermische belastingen.

Bij het bewegen van de voegovergang zullen de vervormingen van de afdichtingsrubbers en stuurveren en de wrijvingskrachten van de voorgespannen opleggingen gezamenlijk een totale interne kracht opleveren die opgenomen moet worden door de verankeringen van de traversekasten aan de aangrenzende constructie. Deze krachten worden veelal overgebracht via deuvels of lusankers.

 

Mechanische weerstand tegen belasting uit verkeer

De voegovergang draagt het verkeer als een kleine brug tussen de beide hoofdconstructies. Door het verkeer worden zowel verticale als horizontale krachten uitgeoefend. Omdat deze van korte duur zijn ontstaat een dynamische overdracht in de voegovergang met een stooteffect en na het ontlasten een terugveereffect. Dit is de reden dat de dwarsdragers verticaal zijn voorgespannen. Horizontale stoten en terugveereffecten worden verwerkt door het stuurveersysteem en de interne wrijving.

Belastingen uit verkeer worden overgedragen via de drukveren en de glijdblokjes (opleggingen).

Slijtage en veroudering van deze onderdelen zal leiden tot onvoldoende demping en afwijkend dynamisch gedrag. Een oplegging kan dan verloren gaan waarbij de krachten worden herverdeeld en de lamellen en traversebalken zwaarder worden belast dan voorzien in het ontwerp. Dit kan leiden tot versnelde vermoeiing in de stalen onderdelen, in bijzonder in bout- en lasverbindingen. Dit betekent dat lamellenvoegen periodiek aan een gericht technische inspectie moeten worden onderworpen waarbij onder andere de kwaliteit van de opleggingen en drukveren en de aanwezig voorspanning beoordeeld moet worden. Daarnaast dient onderzocht te worden of er sprake is van beginnende scheuren ter plaatse van lasverbindingen, lamellen en traversebalken. Met name stootlassen in de lamellen blijken in de praktijk kritisch te zijn voor vermoeiing. Indien bij een inspectie speling wordt geconstateerd dan dienen maatregelen te worden gepland in de vorm van vervangen van onderdelen. De ernst en omvang van de speling en geluid en het type lamellenvoeg zijn bepalend voor de termijn waarin moet worden ingegrepen. Starre lamellenvoegen (concept 7.1) zijn gevoeliger voor gevolgschade dan de meer flexibele systemen. Bij concept 7.3 is het ook van belang dat er tijdig wordt ingegrepen omdat bij dit systeem een afzonderlijk stuurveersysteem ontbreekt. Falen van een oplegging/drukveer kan dan leiden tot verloren gaan van de sturing.

Bij het ontwerpen van lamellenvoegen komen veel aspecten samen door de opbouw van de constructie die bestaat uit een staalconstructie voorzien van kunststof en rubberelementen. Er worden gelaste, geboute maar ook gesoldeerde verbindingstechnieken toegepast. De verkeersbelastingen zijn dynamisch van aard en werken verticaal maar ook in twee richtingen horizontaal. Verder wordt gebruik gemaakt van voorspanning  en door het toepassen van veersystemen en glijdelementen ontstaan sleepkrachten en opspankrachten door bewegingen. Daardoor moet worden rekening gehouden met statisch en dynamisch gedrag en dus vermoeiing, maar ook met slijtage en relaxatie.

 

Dynamische aspecten

Lamellenvoegen zijn in veel gevallen al bijna kleine bruggen die belast worden door dynamische belastingen uit het passerende verkeer.

De dynamische belasting ontstaan door de ongelijkheden in het wegdek en ook door de dynamische interactie die wordt gedomineerd door de belastingfrequentie en de eigen-frequenties van de voegovergang.  Deze eigen-frequenties zijn bijvoorbeeld de grondtonen van de lamellen en de dwarsdragers, maar kunnen in theorie ook de boventonen zijn.

Na het belasten vindt terugveren plaats dat in het geval van weinig demping verplaatsingen en interne belastingen in omgekeerde richting geeft die ongeveer gelijk zijn aan de belasting die gepaard gaat met de dynamische toeslag. Daarna dempt de constructie uit. Deze demping vindt plaats door demping in het materiaal, zeer gering in staalconstructies, of systeemdemping waarbij stoorfrequenties een dempende werking hebben of door externe demping door wrijving.

Het dynamisch gedrag van de constructie heeft een directe relatie met de weerstand tegen vermoeiing. De dynamische vergroting, het terugveren en de daaropvolgende dempte trilling gaat gepaard met spanningsintervallen, die wanneer ze boven de constante amplitude grens voor vermoeiing liggen op den duur kunnen leiden tot scheurvorming.

Stootfactoren door ongelijkheden in het wegoppervlak De ongelijkheden in het wegdekoppervlak veroorzaken verticale en horizontale massakrachten op de passerende assen.  In het algemeen veroorzaken deze een verhoging van de reeds aanwezige belasting op de as met een factor tussen 1,1 en 1,3, afhankelijk van de hoogteverschillen, voor verticale en horizontale belastingen bij hoogteverschillen in stijve wegdekken. Bij de verschillende typen lamellenvoegen of onderdelen daarvan kunnen deze interacties verschillen, afhankelijk van de plaats in de voegovergang. Stootfactoren door dynamische interactie Wanneer een onderdeel met een eigenfrequentie gedurende een bepaalde tijd, met een belastingfrequentie, wordt belast dan kan dit worden vertaald in een dynamische vergrotingsfactor. Deze factor is natuurlijk zowel verticaal als horizontaal. Wanneer een lamel 80 mm breedte heeft en een wielprent een lengte van 300 mm heft, dan is de belastingtijd bepaald door de effectieve contactlengte, in dit geval 380 mm. De snelheid van de voertuigen is bijvoorbeeld 80 km/u, die gelijk is aan 22 m/s. en de effectieve belasting tijd is 0,017 s. die beschouwd kan worden als een belastingfrequentie van 58 Hz. In dit geval zullen de lamel en de onderdelen die de lamel ondersteunen niet door de dynamische interactie worden beïnvloed wanneer hun eigenfrequenties ver van de 58 Hz liggen, dus bijv. minder dan 40 Hz of hoger dan 70 Hz. Wanneer een dwarsdrager meerdere lamellen ondersteunt, zoals bij het “ single crossbeam type”, dan duurt de verticale belastingtijd van de dwarsdrager natuurlijk veel langer. De belastingtijd van de dwarsdrager wordt dan gevonden door de effectieve belastinglengte, bijv. 4 lamellen van 80 mm breed en 3 spleten van elk 40 mm. De belaste lengte is dan 320 + 120 + 300 = 440 mm. Wordt deze vermeerder met de loopvlaklengte ontstaat een totale belastinglengte van 300 + 440 = 740 mm. Bij een snelheid van 22 m/s is dit een belastingtijd van 0,034 s. Dit correspondeert met 30 Hz. In onderstaande figuur is duidelijk te zien dat wanneer de belastingtijd Td samenvalt met de eigen trillingstijd  T, de maximale dynamische vergrotingsfactor van ongeveer 1,6 wordt gevonden. Zowel bij een duidelijk groter en een duidelijk kleiner coëfficient worden lagere waarden gevonden. Terugveren en demping Indien een onderdeel door een dynamische belasting een vervorming in dat onderdeel veroorzaakt hoger dan de statische vervorming, dan zal na ontlasten dit onderdeel terugveren voorbij de stand zonder belasting. Dit fenomeen wordt “upswing” genoemd. Wanneer een constructie weinig demping heeft zal deze waarde ongeveer gelijk zijn aan de toeslag als gevolg van de dynamische belasting. Dus bij een dynamische vergrotingsfactor van 1,3 zal het terugveereffect maximaal ongeveer 0,3 zijn. Onderstaande figuur laat een belasting met een driehoekige “time-history” zien waar na een belasting een dempende trilling optreedt. Na het beperkte terugveereffect bij de eerste cycle blijkt zowel bij de dwarsdrager als ook bij de lamelle de verdere demping zeer beperkt. Dit zou er op kunnen wijzen dat de eerste cycle wordt gedempt door systeemdemping, waarbij de verschillende eigenfrequenties van de onderdelen werken als stoorzenders naar elkaar en externe demping (bijv. wrijving in de glijdelementen) en de volgende cycli door materiaaldemping. Wanneer bij voorgespannen verbindingen zoals in de samenstelling “Aandrukveer – Dwarsdrager – Oplegging” de voorspanning terugloopt of zelfs een speling ontstaat kan deze verbinding gaan klapperen en is de aanwezige wrijving praktisch “0” geworden. Op dat moment zal de bijdrage aan de demping van het systeem als geheel niet meer aanwezig zijn.

 

Veiligheid en comfort

Spleten in lamellenvoegen moeten beperkt blijven maximaal 80 mm. Het comfort wordt minder bij het groter worden van voegspleten. Het toepassen van sinusplaten heeft niet alleen een positief effect op het geluid maar ook op het rijcomfort.

Onveiligheid kan ontstaan door het bezwijken van lamellen of traversedrager. Dit vereist een goede constructieve analyse van vermoeiing zodat de voegovergang met een veilige levensduur kan worden ontworpen.
Falen van de stuurveren kan leiden tot ongelijke verdeling van de voegspleten. Een voegovergangsysteem moet dus voorzien zijn van begrenzende maatregelen in de vorm van eindstops of aanslagnokken, die voorkomen dat bij falen van de stuurveren een te grote en onveilige spleet in het wegdek kan ontstaan.

Veranderingen in de structuur van en onderbrekingen in het wegoppervlak leiden tot comfortverlies. Een zo zuiver mogelijke plaatsing van de voegovergang in het wegalignement is van belang. Afwijkingen leiden niet alleen tot comfortverlies maar ook tot grotere stootbelastingen en mogelijk verkorting van de levensduur.  Lamellenvoegen behoeven in rechtstanden geen bijzondere stoefheidsverhogende maatregelen. In bochten is het noodzakelijk om een fijne profilering of een (ingekamerde) slijtlaag op de lamellen toe te passen.

Geluid

In tegenstelling tot enkelvoudige voegovergangen kan geluidhinder door lamellenvoegen wel beperkt, maar niet voorkomen worden. De grootte van de dilataties maakt het uitsluiten van pulsgeluiden onmogelijk. Met name lamellenvoegen die haaks op de rijrichting staan zijn zeer lawaaiig. Dit kan worden verbeterd door sinusplaten toe te passen.

Geluidslabelwaarde (GLW) van lamellenvoegen

Type / Aantal lamellen	80 km/uur	90 km/uur	100 km/uur	110 km/uur	120 km/uur	130 km/uur
Zonder sinusplaten, 1 lamel	85,7	87,1	88,2	89,3	90,3	91,2
Zonder sinusplaten, 2 lamellen	86,3	87,7	88,8	89,9	90,9	91,8
Zonder sinusplaten, 3 lamellen	86,9	88,3	89,4	90,5	91,5	92,4
Zonder sinusplaten, 4 lamellen	87,5	88,9	90,0	91,1	92,1	93,0
Met sinusplaten	82,5	83,9	85,0	86,1	87,1	88,0

 

Aandachtspunt voor de inspectie zijn vooral opvallende klapperende of tikkende geluiden bij passages van vrachtwagens. Dit duidt meestal op onvoldoende voorspanning van de traversebalken in de traversekasten waardoor er speling is ontstaan.

 

Waterdichtheid

De moderne types zijn waterdicht door de v-vormige afdichtingsrubbers (8), die ingeklemd zijn in de randprofielen en de lamellen.

Aandacht voor (de gevolgen van) lekkages is van groot belang. In tegenstelling tot enkelvoudige voegovergangen zijn deze vooral ook bepalend voor de omvang en kosten van het onderhoud van de lamellenvoegovergang zelf. Naast de gebruikelijke lekkagebronnen via beschadigde of onthechte afdichtingsprofielen ook montagelassen (stuiklassen) vaak een bron van lekkage. Tenslotte zijn de raakvlakken tussen de staal en betonconstructies een punt van aandacht. Hier kan achterloopsheid ontstaan als de aansluiting niet waterdicht zijn afgeplakt met een membraan..
Vervuiling van de voegprofielen zal de bewegingsvrijheid weliswaar nauwelijks beïnvloeden, maar de bewegingen in combinatie met de vervuiling zal beslist leiden tot schade aan het conserveringsssysteem en  corrosie van de stalen randprofielen en lamellen. Daarnaast kunnen de afdichtingsprofielen gaan scheuren door verklemming of slijten door scherp split. Het komt ook voor dat de afdichtingsprofielen uit de klauwprofielen worden geperst.

 

Levensduurverwachting

Bij  lamellenvoegen spelen de volgende aspecten een grote rol in de levensduurverwachting:

• Dynamisch gedrag
• Statische sterkte
• Vermoeiingssterkte
• Slijtage
• Conservering
• Veroudering van rubber en kunststofdelen

De levensduur wordt in belangrijke mate beïnvloed door de kwaliteit van het ontwerp (vermoeiing stalen onderdelen), de kwaliteit van de fabricage (inclusief conservering) en de kwaliteit van de montage en tijdig onderhoud.

Vervangbare delen (opleggingen, druk- en stuurveren) verouderen en slijten en staan bloot aan vermoeiing. De ontwerplevensduur ligt op circa 15 jaar bij kunstwerken met hoge verkeersintensiteit (groot aantal vrachtbewegingen, verkeerscategorie). en circa 20 jaar in overige situaties. Bij met name stalen bruggen die onder verkeer relatief veel vervormen (plaatliggers) kan de levensduur van 15 jaar mogelijk niet gehaald worden door extreme slijtage en/of vermoeiing in de vervangbare onderdelen. Bij dergelijke bruggen is het verstandig de toestand jaarlijks te monitoren.

Niet vervangbare stalen delen hebben een ontwerplevensduur van circa 30-50 jaar afhankelijk van het toegepaste conserveringssysteem en de mate van onderhoud