Algemene projectomschrijving
De Prins Clausbrug in Dordrecht is een 141 meter lange, beweegbare fiets- en voetgangersbrug. De langzaam verkeersbrug over het Wantij verbindt de historische binnenstad van Dordrecht met de nieuwe woonwijk Stadswerven en vormt een onderdeel van de provinciale route naar Papendrecht..
In 2014 schreef de gemeente in samenwerking met Architectuur Lokaal een open oproep voor architecten uit. Uit de 127 inzendingen werd het ontwerp van René van Zuuk Architekten in samenwerking met ABT en Ingenieursbureau Boorsma geselecteerd.
De jury beoordeelde het voorstel als zeer innovatief, een sculpturale landmark waarmee Dordrecht onmiskenbaar op de kaart zou worden gezet. In 2018 gunde gemeente Dordrecht het constructief ontwerp en de uitvoering van de Prins Clausbrug aan bouwcombinatie Dura Vermeer en Hillebrand BV. Iv-Infra werkte in opdracht van deze bouwcombinatie het referentieontwerp uit tot een integraal definitief ontwerp en uitvoeringsontwerp. In oktober 2021 werd de brug door prinses Beatrix geopend.
Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
Staal is het materiaal voor beweegbare bruggen. Beweegbare bruggen kenmerken zich door dynamische belastingen in combinatie met een zo laag mogelijk eigen gewicht, dan is het hier toegepaste staal S355 het juiste materiaal.
Het val bestaat uit twee orthotrope rijdekken van ± 4 m breed die aan weerszijden uitkragen vanuit een centrale, torsiestijve hoofdligger. Deze kern wordt gevormd door twee kokers, die via een vakwerk onderling zijn gekoppeld. De pendel en ballastmast zijn uitgevoerd als dikwandige, kokervormige constructies. De ballastmast is aan de onderzijde voorzien van een kist die wordt gevuld met stalen knuppels (half-fabrikaten uit een continu gietmachine van een staalfabriek) en stalen regelballast: zogenaamde ‘ballastbroodjes’ van 20-25 kg/ stuk, waarmee het evenwicht van de brug fijn-geregeld kan worden. Aan de binnenzijde van de wanden van de ballastmast worden dikke staalplaten gelast.
Aan de westzijde en aan de oostzijde van het val sluiten de stalen aanbruggen vloeiend aan. De westelijke aanbrug bestaat uit een rechte, doorgaande centrale kokervormige hoofdligger die wordt gevormd door drie overspanningen met een totale lengte van circa 38m. Aan weerszijden van de hoofdligger bevinden zich uitkragende orthotrope rijdekken. Aanbrug oost heeft in het bovenaanzicht iets weg van een stemvork: ter plaatse van de eerste pijler splitst het dek zich op in twee separate dekken die om de sokkel heen krullen en aansluiten op de rijdekken van het beweegbare deel. De totale lengte van aanbrug oost bedraagt circa 60m, de constructiehoogte van de hoofdligger is circa 0,75m.
De bouw van de staalconstructie bestaande uit de aanbruggen, het val, ballastmast en de pendelstaaf vereiste specifiek vakmanschap van alle projectmedewerkers. Net als de aanbruggen zijn ook de dekken van het val ondersteboven gebouwd. Deze delen zijn binnen in de fabricage locatie gekeerd en tegen de, in positie gebouwde, hoofdligger aangebouwd. Hierin speelde maatvoering een grote rol. Tijdens het samenstellen en het aflassen zijn doorlopend metingen uitgevoerd om binnen de 5 mm tolerantie te blijven.
Bijzondere aspecten bouwkundig concept / ontwerp
De Prins Clausbrug onderscheidt zich niet alleen op technisch maar ook op een belangrijk stedenbouwkundig niveau. Door de brug niet recht over het Wantij te plaatsen maar diagonaal ontstaat er een vloeiende aansluiting van het fietspad vanuit Stadswerven op het Noorderhoofd aan de zijde van de oude binnenstad. Een haaks op de oevers geplaatste brug zou weliswaar een kortere overspanning hebben gecreëerd maar de brug zou dan aan de binnenstadzijde in een steeg naast de hoofdroute landen en dat was niet wenselijk.
De brug is in totaal 141 meter lang en bestaat uit twee stalen aanbruggen en een beweegbaar deel (de val) van bijna 50 meter lang. De draagconstructie bevindt zich in het midden van het brugdek, waardoor het bouwwerk ondanks de forse overspanning slank oogt. De hoofdligger is deels boven het brugdek gehouden, wat meteen een scheiding tussen de twee verkeersrichtingen creëert.
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
Bewegingsmechanisme met scharnierende ballastmast
Het val, de ballastmast en de pendelstaaf bewegen als één mechanisme op de betonnen draaipuntspijler (de sokkel). De ballastmast is met draaipunten gekoppeld aan de hoofdliggers van het val. Om de ballastmast in alle standen te stabiliseren is deze aan de bovenzijde scharnierend gekoppeld met de pendelstaaf. De pendelstaaf is op zijn beurt scharnierend met de bovenzijde van de oostelijke aanbrug verbonden. Tijdens het bewegen van het val maakt het draaipunt van de ballastmast een cirkelvormige baan om de draaipunten van het val. Aangezien de ballastmast (van scharnierpunt tot scharnierpunt) en de pendelstaaf een vaste lengte hebben, zijn de posities en de zwaartepunten van zowel de ballastmast als de pendelstaaf afhankelijk van de positie van het draaipunt van de ballastmast. Het bewegende systeem is hierdoor een afgeleide van de positie van het draaipunt van de ballastmast. Omdat de pendel de ballastmast overeind houdt, oefent de pendelstaaf naast een verticale component ook een horizontale belasting uit (in langsrichting van de brug) op het onderdraaipunt. Deze varieert met de openingshoek van de brug. Deze horizontale kracht wordt op deze wijze via de hoofdliggers van aanbrug oost door middel van doken teruggeleid naar de betonnen sokkel.
De balans van het val toont in deze configuratie een sterkte gelijkenis met een val met scharnierende ballastkist. Er is één belangrijk punt waarop dit systeem afwijkt van een val met scharnierende ballastkist: de ballastmast oefent niet alleen een verticale maar ook een horizontale kracht uit op het draaipunt. De balans van het val wordt dus beïnvloedt door zowel de verticale als de horizontale steunpuntreactie op het draaipunt van de ballastmast, die weer afhankelijk is van de stand van het gehele bewegende systeem. De balans van de Prins Clausbrug is daarom minder eenvoudig te bepalen dan bij ‘traditionele’ basculebruggen en ophaalbruggen. Bij het openen van de brug neemt tot circa 45 graden openingshoek het sluitende moment om de draaias vrijwel niet af, maar juist iets toe. Vanaf 45 graden gaat het sluitend moment in een vloeiende beweging vervolgens weer omlaag. Dit verloop is karakteristiek voor het mechanisme van de brug en in belangrijke mate bepalende voor de krachten op de aandrijfcilinders van de brug. Ook voor het bepalen van windbelastingen op de brug is de beweging van ballastmast complicerend. Deze invloeden zijn daarom in een ANSYS Workbench-model bepaald en eveneens verwerkt in de berekeningen van de hydraulische aandrijving.
Schuin kruisende brug
Omdat de brug de vaarweg schuin kruist en zich daarnaast dicht bij een driesprong van rivieren bevindt is sprake van een bijzondere nautische situatie, waarbij rekening dient te worden gehouden met aanvaarbelastingen. De pijlers aangrenzend aan de vaarweg worden beschermd middels geleidewerken. Daarnaast zijn alle pijlers op een aanvaarbelasting berekend omdat niet uitgesloten kan worden dat schepen ook achter de geleidewerken de pijlers kunnen raken. Om de pijlers zo slank mogelijk uit te kunnen voeren, wordt de aanvaarbelasting van de aangevaren pijler gedeeltelijk afgedragen naar de aangrenzende pijler. Dit gebeurt via dookconstructies door de bovenliggende aanbrugdekken.
Daarnaast vormde het beheersen van de verticale en horizontale vervormingen van het val ter plaatse van de schuine voegovergangen, in interactie met de vervormingen van de aanbruggen, een belangrijke uitdaging die tot inventieve oplossingen heeft geleid.
De twee vooropleggingen onder de voorhar van het val rusten op de einddwarsdrager van aanbrug west, die ter plaatse van de oplegblokken 2,5m (noordzijde) respectievelijk 7,3m (zuidzijde) uitkragen voorbij de betonnen pijler. Hierdoor wordt de voorhar van het val dus flexibeler ondersteund dan gebruikelijk. Bovendien hebben beide steunpunten vanwege de schuine voeg verschillende (maar gekoppelde) verticale veerstijfheden. Om ondanks de verschillende stijfheden toch een gelijke verdeling van oplegkrachten vanuit de onbalans van het val te verkrijgen worden de opleggingen door middel van een bouwzeeg verschillend voorgespannen.
Ook bij de achterhar zijn onconventionele oplossingen toegepast om de vervormingen in de tang te houden en de vaste ligging te borgen. De schuine voeg tussen val en aanbrug oost bevindt zich aan de noordelijke achterhar van het val op een gemiddelde afstand van zo’n 12m vanaf het draaipunt van het vak. Deze grote afstand leidt - zonder maatregelen - tot ontoelaatbare hoogteverschillen aan weerszijden van de voeg, door doorbuiging van de hoofdligger bij ongelijkmatige opwarming van de brug of bij grote personenbelasting. Om de verschilvervormingen te beperken is er een extra steunpunt onder het dek van het val toegepast en is de dekplaat van het val over een zekere lengte los gehouden van de hoofdligger, om een flexibel uitkragend dekdeel te verkrijgen. Bij het sluiten van het val wordt dit dekdeel door het extra steunpunt aan de oostelijke aanbrug enigszins omhoog geduwd, waardoor het dek verticaal licht wordt opgespannen tegen het steunpunt. Door deze voorspanning kunnen alleen bij extreme vervormingen van het val (beperkte) hoogteverschillen ontstaan.
Bijzondere aspecten uitvoering
De gehele constructie bestaat uit de vloeiende vormen van het architectonische ontwerp uitgevoerd zonder hinderlijke overgangen of naden tussen plaatdelingen. Elke verbinding of overgang verdient extra aandacht tijdens het fabricage proces.
De maatvoering kenmerkt zicht met de allesomvattende 5 mm tolerantie-eis over het geheel inclusief de bewegende delen. Door tussentijdse monitoring kon worden bijgestuurd, bijvoorbeeld in de lasvolgorde. Monitoren gebeurde op gezette tijden met vaste meetmomenten. De pendelstaaf is in liggende positie gemaakt en gemeten. Het val, de ballastmast en de pendelstaaf zijn na het aflassen, volledig ingemeten en vergeleken met het 3D-model waaruit bleek dat er geen of zeer weinig afwijkingen zijn gemeten. Op basis van deze meting zijn alle machinale bewerkingen specifiek uitgevoerd.
Door het complexe bewegingssamenspel heeft de brug veel draaipunten. Deze zijn mobiel gekotterd na het afronden van de laswerkzaamheden in de werkplaats te Vlissingen.
De brug is gemetalliseerd voor een extra lange levensduur van de coating. Hiermee worden de beheer- en onderhoudskosten over de gehele levensduur sterk gereduceerd. De voorbehandeling van de staalconstructie behoefde extra aandacht, zodat de metallisatie ook op de plaatranden zich goed zou hechten.
De uitvoering van de staalconstructie is op te delen in twee soorten, namelijk zeer ranke slanke dekken met forse overspanningen en zeer zware complexe draaipunten voor forse belastingen. Deze tweedeling in onderdelen gaf een andere benadering tijdens het fabricage proces, extreem dikke lassen (veel warmte inbreng) in de draaipuntconstructie en dun laswerk/materiaal in de dekken.
Van de onderbouw is de bijzonder vormgegeven betonnen "sokkel" het huzarenstukje. Dit steunpunt draagt niet alleen het complete val, maar herbergt ook de installatieruimtes. De "sokkel" heeft de vorm van een scheepsromp en is met dezelfde 5 mm eis gerealiseerd. De houten bekisting is compleet geprefabriceerde en als een blokkendoos op de bouwplaats in elkaar gezet. De wapening, met dezelfde complexe vorm, is compleet 3D gemodelleerd. Op basis van dit 3D-model zijn de buigstaten gegenereerd en is de wapening in het werk aangebracht.
Een compilatie van de uitvoering is te zien via: https://www.youtube.com/watch?v=ZY7tnoB3ZtY
Bijzondere functionele aspecten van het bouwwerk
Vanuit de uitvraag was een minimale footprint in een onbeperkte doorvaarthoogte vereist. Daarnaast moest de brug gebalanceerd zijn en was het niet toegestaan om een klap- of draaibrug te maken. Voor een ophaalbrug was de overspanning van 50 m te groot, een hefbrug heeft geen onbeperkte doorvaarthoogte en een staartbrug is beperkt balanceerbaar. Daarnaast heeft een basculebrug een basculekelder dat zou leiden tot een te grote footprint in het water. Wat overbleef is een basculebrug zonder kelder, een lastige opgave omdat de brug slechts 5 meter boven het water zou komen te liggen. Met als gevolg dat de ballastarm extreem kort wordt en gekoppeld daaraan dat de hoeveelheid ballast extreem groot zou worden. Fysiek was het niet mogelijk om op een traditionele manier de grote hoeveelheid ballast in de constructie te plaatsen. Er is daarom gekozen voor een uniek constructieprincipe: "Een basculebrug met een rechtopstaande scharnierende ballastmast die met een pendelstaaf overeind wordt gehouden". Het voordeel van het principe is dat met het verlengen van de mast er een onbeperkte hoeveelheid ballast in de constructie geplaatst kan worden. Door deze draaibare ballastmast wordt het openen en sluiten van de brug een 'schouwspel'. Een beweging waarbij de mast eerst vooroverbuigt en weer terugkomt. Bij sluiting blijft de ballastmast de eerste 45 graden van de beweging bij het val waarna de mast zich majestueus opricht.
