De enkelsporige spoorbrug bij Coevorden is een beweegbare stalen vakwerkliggerbrug (draaibrug) met een overspanning van 48,3 m en een hydraulische aandrijf- en hefmechanisme.
| Locatie | Coevorden-Vechtkanaal, Coevorden |
|---|---|
| Opdracht | Provincie Drenthe, Assen |
| Constructief Ontwerp | Iv-Infra, Haarlem |
| Uitvoering | BAM Infra, Gouda |
| Staalconstructie | Machinefabriek Rusthoven, Groningen |
Eind 2015 is gestart met de bouw van Spoorboog Coevorden. De Spoorboog sluit de Euroterminal Coevorden, de enige Drentse openbare railterminal, rechtstreeks aan op de spoorlijn Zwolle-Emmen. Een onderdeel van de spoorboog is de aanleg van een beweegbare stalen spoorbrug, een enkelsporige draaibrug met een overspanning van 48,3 m.
De draaibrug, type vakwerkliggerbrug, snijdt het Coevorden Vechtkanaal niet recht maar onder een scherpe hoek van 28,5 graden. Daardoor is het deel van de brug dat het kanaal overspant erg lang (32 m van hart oplegging tot draaias) ten opzichte van de versmalde doorvaartbreedte voor de scheepvaart (8,5 m). De totale lengte van het beweegbaar deel (het val) is 48,6 m.
Het deel van de brug achter het draaipunt is 16 m lang en voorzien van ballast om de brug in evenwicht te houden om de draaias.
De brug draait op de naast de doorvaart gelegen betonnen draaipijler, op een geïntegreerd hef-/draaimechanisme dat de brug heft, roteert en weer op haar steunpunten laat zakken. Omdat is gekozen voor een compact hef-/draaimechanisme kan de draaipijler klein gehouden worden, mede omdat het hydraulische aggregaat buiten de draaipijler op een bordes op de oever is opgesteld, tezamen met de besturingskasten voor de brug.
De nieuwe spoorbrug biedt kansen voor het goederenvervoer in Coevorden: er kunnen langere treinen (tot 700 mr) rangeren, het afhandelen van de goederen zal sneller gaan en zal minder overlast zijn voor omwonenden.
De brug haalt de globale sterkte en stijfheid voornamelijk uit de twee vakwerken. Alle toegepaste profielen zijn kokers. De boven- en onderstaaf zijn gelaste kokers van 600 bij 400 mm. Flens- en lijfdikte van deze staven variëren over de lengte van de brug: nabij het draaipunt zijn de grootste diktes toegepast, hier treden de grootste krachten op in verband met dragen van de gelifte brug.
De wandstaven van de vakwerken zijn standaard warmgewalste vierkante kokerprofielen 400x400x16. Ter plaatse van de opleggingen en de ballastkist is een zwaardere doorsnede nodig: hier worden gelaste kokers 400x600 toegepast.
De rijvloer is opgebouwd als balkrooster uit open profielen, aan weerszijden verbonden met twee vakwerkliggers van gesloten kokers. Het balkrooster heeft twee doorlopende langsliggers, opgebouwd uit standaard HEB 600 profielen, die de directe ondersteuning voor de spoorstaven vormen. De langsliggers zijn onderling en met de vakwerkliggers verbonden door stalen dwarsdragers.
Zowel de onderzijde van de brug ter plaatse van de doorvaart als bovenkant spoor zijn aan strikte hoogte-eisen gebonden, waardoor voor de constructiehoogte van de rijvloer slechts 600 mm beschikbaar is. Dit is in belangrijke mate bepalend voor de onderlinge afstanden en de profilering van de dwarsdragers. Boven de draaipijler is meer ruimte beschikbaar, daar gaan dan de langsliggers en dwarsdragers dan ook over naar een grotere constructiehoogte, mede vanwege de grote hefkrachten uit het hefmechanisme.
Het val van de brug is puur functioneel en zonder inbreng van een architect vormgegeven, op basis van een vraagspecificatie waarin ten aanzien van vormgeving in feite alleen functionele eisen werden gesteld, zoals profiel van vrije ruimte, breedte van het passeerpad en de hoogtemaatvoering van de brug. Binnen deze randvoorwaarden is de brug daarom zo licht en doelmatig als mogelijk geconstrueerd.
Achter het draaipunt gaat het balkrooster over in een ballastkist. De ballast rust op een dikke bodemplaat met daarop schotten in langs- en dwarsrichting aangebracht. De bovenzijde van de ballastruimten is dichtgezet met een dikke bovenplaat, voorzien van hermetisch afsluitende toegangsluiken. De ballastruimte is gevuld met stalen vaste ballast (stalen knuppels) en regelballast (broodjes) om de brug op de draaipijler in balans te houden tijdens het bewegen.
Conform de gestelde eisen moet gerekend worden op 3250 brugsluitingen per jaar. Dat wil zeggen dat er jaarlijks maximaal 3250 treinpassages zullen plaatsvinden met een maximale treinlengte van 750 m en met wagons van het type D4, conform NEN-EN 15528. Aangezien deze wagons een lengte hebben van 11,25 m, heeft een trein van 750 m 66 wagons, elk met 4 assen. Daarom moest bij het ontwerp van de brug rekening worden gehouden met vermoeiingsbelastingen ten gevolge van het passeren van in totaal 100 x 3250 x 66 x 4 = 85,8 miljoen aslasten van elke 225 kN, in de vereiste 100 jaar levensduur van de brug. Deze vermoeiingsbelasting moet uiteraard gecombineerd worden met de spanningswisselingen bij het openen en sluiten van de brug, waarbij het statisch systeem - en dus de krachtswerking in de brug - volledig verandert. Vermoeiing bleek de dominante factor te zijn in het bepalen van de profilering en de (las-)detaillering van de brug.
Om concentraties van vermoeiingsspanningen te voorkomen, is veel zorg besteed aan de detaillering van aansluitingen. Zo worden bijvoorbeeld bij de vakwerkknopen de krachten uit de vakwerkstaven via ingelaste plaatjes met ruime afrondingen in de onderrand ingeleid. Daarmee kunnen hoge spanningsconcentraties (hot spots) zoveel mogelijk worden vermeden. De spanning in de aansluiting in de toch nog aanwezige hot spot in de teen van de afronding wordt verder beperkt door de wangplaat wat dikker te kiezen.
Om de kokerprofielen volledig luchtdicht af te kunnen lassen zijn vervolgens dunnere, gebogen plaatjes ingelast in de radius van de wangplaten, buiten de vermoeiingsgevoelige zones. Ook de rijvloer bevat veel vermoeiingsgevoelige details.
Waar nodig zijn ten behoeve van de vermoeiingsberekeningen voor verschillende aansluitdetails spanningsconcentratiefactoren (scf) bepaald met behulp van een EE-model met volume-elementen. Hierin is de lasgeometrie en de invloed van toegestane bouwfouten (plaat-uitlijnigheid) mee gemodelleerd, om een zo realistisch mogelijke scf te bepalen.
Om de brug voldoende snel en betrouwbaar te kunnen openen en sluiten, is gekozen voor een zorgvuldig uitgewerkt en robuust hef-/draaimechanisme. Het mechanisme bestaat uit een heftafel die rust op een zwaar tontaatslager, aangebracht op een spil (een dikwandige stalen buis) die aan de bodem van de draaipijler is verankerd. Bij het heffen wordt de heftafel omhoog geduwd door een hefcilinder, aangebracht in de spil. Daarbij wordt de heftafel verticaal om de spil geleid, geleid door twee vezelversterkte kunststof glijringen, die in het buisdeel van de heftafel zijn aangebracht, glijdend over een ronde rvs-plaat op de spilbuis.
Bij het heffen wordt eerst een slag van 105 mm doorlopen vóórdat de heftafel tegen de brug aan komt te liggen. Deze ‘loze’ slag is bedoeld om de brug in gesloten stand onder alle omstandigheden geheel vrij te houden van het val. Zelfs bij aanvaarstoten en/of zware treinbelastingen zal er geen contact zijn tussen val en heftafel en wordt de spil niet belast door onbedoelde krachten.
Vervolgens wordt de brug gelift over een afstand van 325 mm, om onder alle omstandigheden vrij te kunnen draaien.
Tijdens het draaien van de brug wordt de brug volledig gedragen op de heftafel.
De brug is daarbij opgelegd op twee rubberen hoofdopleggingen aan weerszijden van de draaias, 2,5 m uit elkaar, en twee stalen nevenopleggingen aan de oostelijke zijde van de draaias (de korte zijde van de brug) op 1,5 m van de hoofdopleggingen. De brug is dusdanig om de draaias gebalanceerd dat het overgrote deel van de brugmassa op de twee hoofdopleggingen rust en de brug relatief licht aanligt op de twee nevenopleggingen. Aan de contrazijde van de hoofdopleggingen bevinden zich nog twee stalen opleggingen op de heftafel, de calamiteitenopleggingen, deze zijn gelijk aan de twee nevenopleggingen, maar liggen onder normale omstandigheden in de bewegingscyclus niet aan, gescheiden van de brug door een horizontale spleet van enkele millimeters.
Deze opleggingen moeten verhinderen dat de brug bij een onverwachte kantelbeweging richting de lange zijde van de brug te ver kantelt op de heftafel.
De kantelmogelijkheid van de brug is geïntroduceerd om te voorkomen dat tijdens het heffen van de brug, waarbij de opleggingen aan de oost- en westzijde van de brug nooit tegelijkertijd zullen loskomen van de landhoofden of pijlers, te grote momenten op de draaispil ontstaan ten gevolge van krachten op de wel nog aanliggende brugopleggingen.
Het rijdek en de vakwerkliggers zijn in de werkplaats samengesteld en als afzonderlijke delen op een ponton over water naar de bouwplaats getransporteerd. Daarna is eerst het rijdek in situ gemonteerd en vervolgens de beide vakwerkliggers. Op locatie zijn de vakwerkligggers aan het rijdek gelast en zijn de koppelstaven in het bovenvlak van de vakwerkliggers (windverband) aangelast. Deze bouwwijze is gekozen om te voorkomen dat de totale massa van de brug in één keer ingehesen zou moeten worden. Dit zou vanwege de slappe bodem op locatie tot problemen bij het afstempelen van de kranen kunnen leiden.
Omdat er slechts weinig treinpassages plaatsvinden is de brug doorgaans geopend, zodat de scheepvaart in het Coevorden-Vechtkanaal ongehinderd kan doorvaren. De brug wordt alleen op aanvraag van een machinist van een goederentrein gesloten en na passage van de trein weer voor de scheepvaart geopend.
De draaispoorbrug is zeer functioneel ontworpen met zo laag mogelijk materiaalgebruik en een laag energiegebruik.
De brug is volledig uit staal vervaardigd in een sober en zeer doelmatig ontwerp, waarbij de staalconstructie volledig is uitgenut, gebaseerd op uitgebreide en gedetailleerde vermoeiingsberekeningen. Het ontwerp is puur functioneel, de vormgeving is vrijwel volledig gebaseerd op voldoende capaciteit bij zo laag mogelijk materiaalgebruik.
Laag materiaalgebruik bij de bouw leidt tot laag energieverbruik. De beweegbare brug is van het type draaibrug. Aandrijving van een dergelijk type brug, waarbij de brug een horizontale draaibeweging maakt en windbelastingen een beperkte invloed hebben op de krachtswerking in het bewegingswerk, vergt weinig aandrijfvermogen in vergelijking tot basculebruggen en ophaalbruggen, die in geopende stand veel meer wind vangen.
De bouwwijze, waarbij de brug in drie delen is aangevoerd en op de bouwplaats in korte tijd en efficiënt is gemonteerd en samengebouwd, levert weinig overlast voor de omgeving op. Overige bouwactiviteiten zijn volledig in de werkplaats uitgevoerd.
De volgende ontwerpkeuzes betreffen innovaties op conceptniveau:
• De kantelmogelijkheid van de brug op de heftafel om de belastingen op de draaispil bij heffen en dalen van de brug te minimaliseren;
• Het heffen van de brug op een centrale hydraulische cilinder in het draaipunt van de brug;
• Het draaien van de brug door middel van dubbel uitgevoerde en spiegelsymmetrische toegepaste hydraulische cilinders, waardoor radiale aandrijfkrachten op de draaias vrijwel volledig worden vermeden.
