Voegovergangen

Principe en werking

De balkroostervoegovergang, Girder Grid Expansion Joint in het internationaal jargon, of Trägerrost in het Duits. Bij dit type lamellenvoeg is iedere lamel voorzien van aangelaste dwarsdragers, die in een stalen doosconstructie (kast) voorgespannen zijn opgelegd. De dwarsdragers kunnen in langsrichting van de brug aan twee zijden bewegen over de opleggingen en onder de aandrukveren. De dilatatie wordt min of meer evenredig verdeeld over de afstanden tussen de balkprofielen door stuurveren.. Bij scheve kruisingen worden de dwarsdragers in de hoofdrichting van de beweging gepositioneerd. De dilatatie wordt min of meer evenredig verdeeld over de afstanden tussen de balkprofielen door stuurveren. De gehele constructie is verankerd aan een betonnen dekconstructie of gelast aan een stalen dekconstructie. De constructie is waterdicht door v-vormige afdichtingsrubbers.

Bij balkroosters wordt de verkeersbelasting op de lamellen via een starre lasverbinding afgedragen op dwarsdragers die verend voorgespannen zijn. Dit geheel kan worden gemodelleerd als een massa-veersysteem dat dynamisch wordt belast. Het dynamische gedrag kan leiden tot vermoeiing. Dit fenomeen is voor balkroosters onderzocht in het rapport “Fatique performance of Modular Expansion joints (2003)“.

In het rapport “Dynamic response of expansion joints to traffic loading” (TU Delft, 2004) zijn de dynamische eigenschappen van verschillende types balkrooster (D160-D640) nader onderzocht aan de hand van een dynamisch model. Hieruit blijkt dat de dynamische respons aanzienlijk groter wordt bij toenemend aantal lamellen. In het rapport “Modular Expansion Joints” van R. Pijpers (TU Delft, 2005) is in hoofdstuk 6 een gedetailleerde analyse gedaan van een Maurer D320 lamellenvoeg. In hoofdstuk 7 zijn de gevolgen van het dynamische gedrag op vermoeiingslevensduur nader beschouwd.

In de praktijk is gebleken dat de lasverbinding tussen lamel en dwarsdrager qua vermoeiing kritisch kan zijn. Scheuren kunnen daarbij in drie mogelijke richtingen doorscheuren zoals in onderstaande figuur is aangegeven.

 

Stuurmechanisme

Tussen de dwarsdragers is een reeks opeenvolgend aangebrachte stuurveren aangebracht.

 

De stijfheid van elke individuele veer hangt af van de snelheid van zijn beweging (d.w.z. is een functie van de snelheid van de belasting die op de veer inwerkt). Bij een snel aangrijpende rembelasting gedraagt de veer zich stijver dan bij een langzaam optredende opgelegde vervorming door temperatuur. De stijfheid kan lineair of niet-lineair van aard zijn. Afhankelijk van het ontwerpsysteem van de lamellenvoeg, zullen de stuurveren in een bepaalde toestand spanningsloos zijn, hetzij in gesloten toestand, bij gemiddelde spleetopening of bij maximale spleetopening. Omdat de lamellen met de bijbehorende steunbalken worden ondersteund door glijdlagers, die zijn voorgespannen door drukveren, dient een bepaalde wrijvingsweerstanden te worden overwonnen om de traversebalken te laten verplaatsen. Eerst wordt de eerste veer van de bewegende zijde aangesproken. De traversebalk zal echter pas verplaatsen als de veerkracht groter wordt dan de wrijvingskracht. Als dat gebeurt wordt de tweede veer aangesproken, maar met een gereduceerde kracht t.ov. de eerste veer. Dit mechanisme werkt op dezelfde manier door in alle veren. Deze glijdweerstanden leiden dus tot een imperfecte sturing, die, hoewel gedeeltelijk gecompenseerd door dynamische trillingen onder verkeer, nooit helemaal kan worden uitgesloten. Het systeem van opeenvolgend gerangschikte stuurveren wordt zwakker naarmate meer lamellen worden toegepast. Dit resulteert in een toename van de ongelijke verdeling van de voegbeweging over het aantal dilataties.   Onderstaande figuur aan de linkerzijde illustreert de werking in een balkrooster van 8 lamellen met lineaire veerconstantes en een verschil in wrijving tussen beide oplegzijden van 8%. De figuur aan de rechterzijde geeft interne krachten aan van de diverse types als functie van voegopening. Het gebied “E” is doorgaand het gebied waarin de montage plaats vindt. De verschil in grootte van de interne kracht voor de diverse types wordt veroorzaakt door de grotere wrijvingskracht bij toenemend aantal lamellen. De resulterende totale veerstijfheid van de stuurveren is onafhankelijk van het aantal lamellen doordat deze in serie functioneren.

In het balkrooster van Maurer staan de veren altijd onder druk. Bij de maximale opening is deze nog minimaal. In deze animatie wordt de werking van het stuursysteem geïllustreerd. Hierin is de imperfecte sturing door wrijvingskrachten niet meegenomen.

Toelaatbare bewegingen in langsrichting

Balkroosters zijn, door de ruimte die de dwarsdragers en hun kasten innemen in de aansluitende constructies, effectief toepasbaar tot een dilatatiecapaciteit van ongeveer 640mm (8 openingen x 80mm).

Toelaatbare bewegingen in dwarsrichting

De lamellenvoegen van het balkroostertype hebben maar een geringe bewegingscapaciteit in dwarsrichting (circa +/- 10mm). Dit wordt veroorzaakt door de geringe afstand tussen de stuurveerhouders en de traversekasten en door de randafstand van de opleggingen t.o.v. de traversebalken.  Een te grote voegbeweging in dwarsrichting leidt tot een verklemming en opspankrachten in het systeem. Door de starre verbinding van de traversebalken en lamellen ontstaan dan grote torsiemomenten op de lasverbinding waardoor schade kan ontstaan aan de lassen. Tevens zal de voegovergang in langsrichting niet meer wrijvingsarm kunnen bewegen waardoor ook in deze richting grote interne krachten kunnen optreden en schade aan de conservering ontstaat.

 

Onderdelen

In onderstaande afbeelding zijn de onderdelen van een balkrooster weergegeven.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Randprofiel
2. Lamellen of balkprofielen
3. Traversebalk of dwarsdrager
4. Glijdmlaatje (RVS)
5. Aandrukveer met PTFE glijdelement
6. Oplegging met PTFE glijdelement
7. Stuurveren
8. Afdichtingsrubber
9. Betonverankering randprofiel (lusankers)
10. Betonverankering traversekast (deuvels)
11. Traversekast

 

Aansluitingen

Bij betonnen bruggen worden de kasten van het balkrooster in gestort in gewapende uitsparingen in het brugdek en landhoofd.

In onderstaande figuren zijn mogelijke aansluitingen voor een stalen brug weergegeven.

Varianten

Maurer

Maurer is de grootste leverancier van concept 7.1 lamellenvoegen. Van het systeem van Mauer kan onderscheid gemaakt worden in:

• de standaardvariant D160-D640 zonder geluidreducerende sinusplaten.
• de geluidsarme variant XL200-XL600 (voorheen onder de naam “GO”). Dit systeem kan worden toegepast bij kruisingshoeken tussen 60-120 graden

Van beide systemen zijn in onderstaande bijlagen de Duitse Technische goedkeuringen volgens de Duitse nationale norm TL TP FÜ opgenomen. Hierin is meer gedetailleerde informatie opgenomen. In deze goedkeuringen wordt uitgegaan van max 65 mm dilatatiecapaciteit per spleet (5-70 mm spleetbreedte). In Nederland wordt een maximale voegspleet van 80 mm gehanteerd.

Bij de geluidarme variant worden metalen ‘wiebertjes’ toegepast. Dit kan zowel gelast als demontabel worden uitgevoerd. Lassen is alleen een optie als dit de vervangbaarheid van onderdelen niet in de weg staat. Bij de grotere types is dit geen probleem. De ruitvormige platen kunnen ook op bestaande voegovergangen worden aangebracht mits de lamellen van de huidige generatie I-profielen zijn zoals dat sinds meio jaren 90 wordt toegepast. Het lassen op de oude generatie kokerprofielen is niet mogelijk. In dit Duitstalig informatiedocument wordt hierop ingegaan.

 

Ervaringen Dit systeem van Maurer is in Nederland op grote schaal toegepast bij Rijkswaterstaat sinds de jaren 1960. De voegovergangen werden aanvankelijk alleen getoetst ten aanzien van de statische sterkte. Nu worden ook alle voegen nagerekend op vermoeiing. Ervaringen en gewijzigde normen hebben in de loop der jaren geleid tot ontwerpwijzigingen van de Maurer balkroosters, zowel op detailniveau als de toepassing van materialen. De diverse types brengen ieder afzonderlijk hun eigen slijtage-, verouderings- en vermoeiingsproblemen met zich mee. Schadebeelden zijn dan ook sterk gerelateerd aan het betreffende ontwerp, de verkeersintensiteit en verkeersbelasting en het verouderingsgedrag van de toegepaste materialen. Dit maakt het vastleggen van aandachtspunten voor de inspectie omvangrijk en gecompliceerd. In de Factsheets voor inspectie, beheer en onderhoud van voegovergangen wordt er dieper ingegaan op de ervaringen met diverse generaties en de ontwerpwijzigingen (zie vanaf blz 85). In dit document is een overzicht gegeven van de in loop der tijd toegepaste onderdelen.

 

 

Overige leveranciers

Wereldwijd zijn er nog enkele andere leveranciers van dit systeem die tot op heden niet op de Nederlandse markt actief zijn. Dit zijn Freyssinet (systeem Freyssimod), Watson Bowman (Wabo Modular) en D.S. Brown (Steelflex Modular).