Principe en werking
Bij dit type wordt steunen alle lamellen op gezamenlijke traversebalken. De lamellen zijn ieder afzonderlijk voorzien van een opleggingen en drukveer die door middel van beugels zijn ingeklemd op de traversebalken. In tegenstelling tot concept 7.1 laat de verbinding tussen lamel en dwarsdrager kleine rotaties om alle assen toe.
De traversebalken zijn in de hoofd bewegingsrichting uitgelijnd en kunnen transleren en roteren in de doosvormige traversekasten waarin ze ingeklemd zijn opgelegd tussen een oplegging en drukveer. De dilatatie wordt min of meer evenredig verdeeld over de afstanden tussen de balkprofielen door in serie geschakelde stuurveren. 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 dit type lamellenvoeg wordt de verkeersbelasting op de lamellen via een flexibele verbinding afgedragen op traversebalken die verend voorgespannen zijn. Dit geheel kan worden gemodelleerd als meervoudig massa-veersysteem dat dynamisch wordt belast. Het dynamische gedrag kan, indien hier niet goed rekening mee wordt gehouden in het ontwerp leiden tot vermoeiing.
Eventuele lassen kunnen leiden tot scheurvorming. Boutgaten geven spanningsconcentraties en kunnen eveneens aanleiding zijn voor vermoeiing. In het ontwerp dient hier nauwkeurig rekening mee te worden gehouden
Stuurmechanisme
Tussen de dwarsdragers is een reeks opeenvolgend aangebrachte stuurveren aangebracht. Dit zijn rubber elementen die op afschuiving worden belast, vergelijkbaar met rubber brugopleggingen.
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 is lineair van aard zijn. In de middenstand zijn de stuurveren spanningsloos. Omdat de lamellen en de traversebalken voorzien zijn van glijdlagers, die zijn voorgespannen door drukveren, dienen zowel bij de traversbalken als bij de lamellen een bepaalde wrijvingsweerstand te worden overwonnen om de dwarsdragers en lamellen te laten verplaatsen. Eerst wordt de eerste veer van de bewegende zijde aangesproken. De lamel en 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.o.v. 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. Naarmate meer lamellen worden toegepast wordt dit effect groter. Tevens worden de effecten in loop der tijd groter als de glijdweerstand toeneemt door verlies aan smeervet en eerste slijtage van de glijdelementen. Dit resulteert in een toename van de ongelijke verdeling van de voegbeweging over het aantal dilataties.
Het systeem dient, met name bij de grotere types voorzien te zijn van eindstoppen/aanslagen om te voorkomen dat de dilataties te groot worden. De werking daarvan is geïllustreerd in onderstaande rechter figuur. Situatie 1 is de uitgangspositie. Bij het uitrekken van de voeg dreigt in situatie 2 de eerste dilatatie aan de bewegende zijde te groot te worden indien geen eindstoppers worden toegepast. In situatie 3, waarin wel eindstoppers zijn toegepast wordt voorkomen dat de spleet te groot wordt en de eerst volgende naastgelegen lamel wordt nu gedwongen om eerder in beweging te komen.
De eindstopper hebben ook een veiligheidsfunctie: bij breuk van een stuurveer kan een ketting reactie ontstaan waarbij ook de naastgelegen stuurveren breken door overbelasting. De eindstoppers voorkomen dan het er een zeer grote spleet in het wegdek zou gaan ontstaan.
De wrijving in de glijdelementen veroorzaakt een interne kracht die groter wordt bij een toenemend aantal lamellen. De resulterende totale veerstijfheid van de stuurveren is onafhankelijk van het aantal lamellen doordat deze in serie functioneren.
In deze animatie wordt de werking van het stuursysteem van Mageba geïllustreerd. Hierin is de imperfecte sturing door wrijvingskrachten niet echt zichtbaar meegenomen.
Toelaatbare bewegingen in langsrichting
Dit type is vrijwel onbeperkt qua dilatatiecapaciteit. De tabellen van Mageba gaan tot wel 29 lamellen met een capaciteit van 2400 mm (30x80mm) zonder sinusplaten respectievelijk 3000mm met sinsusplaten.
Toelaatbare bewegingen in dwarsrichting
De lamellenvoegen van het concept 7.2 maken een aanzienlijke bewegingscapaciteit in dwarsrichting mogelijk doordat de lamellen flexibel zijn verbonden aan de traversebalken. De toelaatbare dwarsbewegingen worden bepaald door de ruimte in de kasten t.b.v de uitzwaaiende traversebalken en de capaciteit van de afdichtingsrubbers. Voegbewegingen in dwarsrichting leiden dus niet tot hoge interne krachten, anders dan de stijfheid van de afdichtingsrubbers en de cumulatieve rotatiestijfheid van de glijdopleggingen en glijdveren. Het standaard types heeft een bewegingscapaciteit in dwarsrichting van +/- 12mm, maar er zijn ook speciale uitvoeringen met ‘trompetvormige’ traversekasten die grotere translatie in dwarsrichting toelaten.
In de bijgevoegde informatiebladen en Duitse technical approvals van de leveranciers kan meer informatie worden gevonden over de capaciteiten van de diverse systemen.
Aansluitingen
Bij betonnen bruggen worden de kasten aan beide zijden ingestort in gewapende uitsparingen in het brugdek en landhoofd.
Bij stalen bruggen worden de traversekasten doorgaans opgelegd op consoles die aan de einddwarsdrager zijn gelast.
Varianten
Mageba TENSA MODULAR
Mageba heeft dit concept onder de naam TENSA MODULAR LR. Er bestaat ook geluidsarme variant, de TENSA MODULAR LR-RS. In dit document is een overzicht gegeven van de toegepaste onderdelen.
De verbindingen zijn vrijwel volledig d.m.v. voorspanbouten gerealiseerd. Lassen in dynamische belaste dragende onderdelen (lamellen, traversebalk) komen niet voor. Vermoeiing als gevolg van lassen is daarmee geëlimineerd. Wel dient rekening gehouden te worden met spanningsconcentraties ter plaatse van de boutgaten. Ook de wijze van maken van de gaten is relevant voor vermoeiing. Uit testen is gebleken dat geboorde gaten significant beter presteren op vermoeiing dan geponste gaten.
In het rapport “Behavior of bolted center beam to support bar connections” is de werking van de de verbinding onderzocht. In het rapport “Laboratory testing of bolted single support Bar Modular Bridge Expansion Joint system” en “Fatigue Life of the Bolted Yoke Connection in Single Support Beam Modular Expansion Joint” is onderzoek gedaan naar de weerstand tegen vermoeiing van de boutverbindingen.
Het stuursysteem bestaat uit cilindervormige rubberen stuurveren die de lamellen trapsgewijs doorkoppelen. Het besturingssysteem heeft de volgende functies:
- Dilatatiebewegingen verdelen over de afzonderlijke openingen van de dilatatievoeg.
- Opnemen van horizontale rem en acceleratiekrachten van de lamellen naar de aansluiting op de draagconstructies
- Kantelen van lamellen door horizontale belastingen verhinderen. Hierbij werken steeds een tweetal stuurveren als paar in een soort trek/druk koppeling.
Het stuursysteem van mageba bevindt zich in de velden tussen de traversebalken. Het stuurelement bestaat uit afstandhouders en stuurveren die zich onder de lamellen bevinden. Een afstandhouder is stevig bevestigd aan elke lamel en verbonden met aangrenzende lamellen via de stuurveer. Dit systeem garandeert een min of meer gelijkmatige verdeling van de totale spleet in individuele kleinere openingen tussen de lamellen. Als de stuurveer in de centrale (neutrale) stand staat, staat de veer in ontspannen toestand. Als de voeg beweegt dan worden de veren elastisch op afschuiving vervormd, hetgeen leidt tot een interne opspankracht. Om dit goed te laten functioneren, moet deze kracht hoger zijn dan de wrijvingskracht die ontstaat tussen lamel en dwarsbalk. Doordat de stuurveren door horizontale verplaatsingen steeds wisselend op afschuiving worden belast speelt vermoeiing een rol. In het buitenland is onderzoek gedaan naar schadeontwikkeling aan de stuurveren. In deze publicatie hierop nader ingegaan.
Doordat het stuursysteem zich onder de lamellen en tussen de traversebalken bevindt is het goed toegankelijk voor onderhoud. De plaatsing van het stuursysteem in de velden tussen de traversebalken heeft tevens als voordeel dat het een extra lokale ondersteuning biedt aan de lamellen. De verbinding van drie lamellen met elke afstandsplaat verhindert niet alleen de kanteling door horizontaalkrachten maar vermindert ook de doorbuiging van de lamel door de krachten gedeeltelijk over te brengen op de aangrenzende lamellen. Dit resulteert in een verminderde belasting van de verbinding tussen lamel en traversebalk.
Indien er onverhoopt een verstopping van een spleet tussen de lamellen door een hard voorwerp (bijvoorbeeld door een steen) optreedt wordt beschadiging van het systeem voorkomen door een elastisch regelsysteem. De blokkering van een opening genereert automatisch de compensatie door de resterende spleten verder te dichten.
De elastische ondersteuning van alle dragende onderdelen van de voegovergang draagt bij aan een goede demping van het hele systeem tegen dynamische stootbelastingen van verkeer. Verder zorgen de stuurveren in de velden tussen de traversebalken voor demping van de lamellen in alle richtingen.
Het probleem van imperfecte sturing, met als resultaat ongelijke spleetbreedtes, te minimaliseren kan in het ontwerp naast eindstoppers tevens het stuursysteem asymmetrisch worden gemaakt door toevoeging van extra stuurveren aan de bewegende kant. Hierdoor ontstaat door de toegenomen stijfheid van deze parallel geschakelde stuurveren er minder beweging aan de bewegende kant en zal deze zich verplaatsen naar de andere kant. Tevens kan het systeem in plaats van met PTFE glijdelementen worden uitgerust met speciaal ontwikkelde glijdmaterialen uit UHMWPE-compound (Robo®Slide) die worden gekenmerkt door de lage wrijving en lage slijtage.
Qua draagsysteem zijn er twee varianten mogelijk m.b.t. de aansluitingen:
- Drijvend oplegsysteem waarbij het systeem aan beide zijden kan transleren in kasten
- Gefixeerd systeem, waarbij één zijde vast (alleen roteerbaar) is verbonden met omgeving en de andere zijde transleerbaar is een kast. Dit systeem wordt het meeste toegepast.
Van deze 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.
Kruisingshoeken tussen 60 en 90 graden zijn mogelijk.
Bij de geluidarme variant worden sinusplaten toegepast. Deze zijn middels voorspanbouten verbonden met de lamellen. De sinusplaten kunnen ook op bestaande voegovergangen worden aangebracht. Meer informatie hierover is hier te vinden.
| Ervaringen
Het systeem van Mageba is in Nederland voor het eerst toegepast in 1986 in de Andrej Sacharovbrug (voorheen de Koningpleijbrug) bij Arnhem (in beheer bij de Provincie Gelderland). Deze zijn na 25 jaar vervangen door vingervoegen. Bij Rijkswaterstaat is het systeem o.a. toegepast in de Kreekrakbruggen (staal, LR3, 1994), Dintelhavenbrug (beton, LR4, 2001), de Brug Hagestein (staal 2005/2006), Maarsserbrug (staal, LR3, 2006), Muiderbrug (staal, LR2&LR5, 2010). Bij stalen bruggen blijkt het systeem onderhevig aan slijtage. In betonnen bruggen treedt dit minder op doordat deze veel minder blootgesteld worden aan frequent optredende grote bewegingen door temperatuur en verkeer. Bekend is dat bij de oudere typen een lager voorspanningsniveau in de samenstelling aandrukveer – stalen onderdeel – oplegging werd toegepast. Door veroudering/relaxatie komt er dan al snel te veel speling en een lage demping in he systeem. In de Kreekrakbruggen zijn de Mageba TENSA MODULAR LR, ingebouwd in 1994, in 2015 vervangen door lamellenvoegen van RWSH. De Mageba lamellenvoegen waren op dat moment door langdurig niet uitgevoerd onderhoud in slechte conditie. De volgende schades traden op:
In brug Hagestein zijn de Mageba TENSA MODULAR LR, ingebouwd in 2005/2006, ontstonden er na circa 10 jaar klapperende geluiden. Door de extreme vervormingen van deze stalen brug ontstond veel slijtage in de glijdelementen. De volgende schades traden op:
In 2017 heeft er onderhoud plaatsgevonden waarbij alle vervangbare onderdelen zijn vervangen. |
Reisner Wolff Sollinger Hütte (RWSH) WSG (plus)
Door Reisner Wolff Sollinger Hütte zijn soortgelijke lamellenvoegovergangen toegepast onder de naam WSG (concept 7.2a1) en de geluidsarme variant WSG Plus (concept 7.2a2).
Op details verschilt deze van de TENSA MODULAR LR. Dit betreft met name de detaillering van de stuurveren en de opleggingen en lagers. In onderstaande figuren is een 3D impressie gegeven van deze systemen. In dit document is de opbouw van het systeem nader beschreven. In dit overzicht zijn de componenten weergegeven.
Ook bij deze systemen is sprake van veel voorgespannen boutverbindingen.
Het grootste verschil met het systeem van Mageba betreft de stuurveren. Deze zijn gesitueerd tussen de lamellen in, hetgeen vervanging wat gecompliceerd maakt. De stuurveren zijn in ontspannen middenstand reeds schuin. Bij maximale indrukking van de voeg staan de veren te lood, Bij maximale uitrekking staan de veren maximaal scheef. IN beide gevallen zijn de schuifspanningen even hoog. De scheefstand in de neutrale middenstand werkt wellicht de indruk dat de veren onder spanning staan, hetgeen niet het geval is.
De firma RWSH is in 2014 failliet gegaan en overgenomen door Mageba. Onderhoud aan deze systemen wordt door Mageba nog steeds mogelijk gemaakt, maar Mageba levert deze systemen niet meer.
| Ervaringen
Op een beperkt aantal locaties in Nederland zijn WSG-balkroosters ingebouwd:
De oudste lamellenvoegen van dit type zitten in de Ketelbrug en dateren uit 2003. Bijzondere aan deze voegovergang is dat deze voorzien is van een duplexsysteem bestaande uit een d.m.v. thermische verzinken aangebracht onderlaag met daarover heen een verfsysteem. In 2018 is een inspectie uitgevoerd waaruit blijkt dat de voegovergang nog in zeer goede staat is en uitstekend functioneert. |
Freyssinet
Freyssinet levert het concept 7.2 voegovergangsysteem onder de naam Freyssimod LW-joint. Het systeem van Freyssinet heeft horizontaal geplaatste stuurveren die op compressie in plaats van afschuiving worden belast.
