Algemene projectomschrijving
De belasting op de Galecopperbrug, een van de drukste oeververbindingen van Nederland, is sinds de bouw (1970, en uitgebreid in 1976) sterk toegenomen. De twee identieke stalen tuibruggen tellen samen tien rijstroken en kruisen bij Utrecht het Amsterdam-Rijnkanaal, een zeer drukke binnenvaartroute.
Per dag rijden zo’n 200.000 voertuigen over de brug. Een groot deel hiervan bestaat uit vrachtwagens die goederen vervoeren van en naar de haven in Rotterdam. Daarnaast faciliteert de brug ook veel lokaal verkeer en verkeer tussen de vier grote steden Utrecht, Den Haag, Rotterdam en Amsterdam.
De verkeersbelasting op het brugdek nam in de jaren ‘90 sterk toe omdat de transportsector de overstap maakte van dubbele banden naar ‘super singles’. De weerstand van één band is aanzienlijk lager dan van twee banden, wat een lager brandstofverbruik oplevert. De belasting op brugdekken neemt hierdoor echter toe omdat dezelfde druk over een kleiner oppervlak wordt verspreid. Bij de Galecopperbrug leidde dit eind jaren ‘90 tot vermoeiing van het stalen brugdek en als gevolg hiervan scheuren in het geasfalteerde wegdek. Rijkswaterstaat zocht rond de eeuwwisseling op korte termijn een oplossing voor het probleem, dat zich niet alleen bij de Galecopperbrug voordeed maar ook bij zeven andere bruggen. Versterken van de Galecopperbrug had een hoge prioriteit voor Rijkswaterstaat. Daarnaast moest de brug worden verhoogd om schepen met meer containers te laten passeren. Bovendien moest de brug gereed gemaakt worden voor een verbreding, één rijstrook aan iedere kant, om de geplande uitbreiding van de ring Utrecht mogelijk te maken. De besluitvorming over de verbreding van de Ring Utrecht was in 2013, toen werd begonnen met de renovatie, nog niet afgerond. Daarom werd ervoor gekozen om de brug zo te versterken dat deze de eventueel later aan te leggen extra rijstrook kon dragen. De ingrepen moesten de levensduur van de brug met 30 jaar verlengen.
Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
De constructie van het brugdek is versterkt door de toevoeging van grote kokerliggers (S460) die zijn geïnstalleerd langs de volledige lengte van de brug. De installatie van de verstevigingsliggers en het opvijzelen van de brug vormden een spectaculair proces met grote drijvende kranen, pontons en mobiele kranen, die allemaal tegelijkertijd in bedrijf waren. Elke ligger weegt 1500 ton en is in drie delen geïnstalleerd. Eerst zijn de twee zijoverspanningen geïnstalleerd, gevolgd door het centrale deel. De verstevigingsliggers zijn op twee plekken nagenoeg onzichtbaar met de bestaande brug verbonden. Nadat de verbinding was gemaakt, zijn de liggers afzonderlijk opgevijzeld om gewicht van de bestaande brug over te nemen. Tijdens deze nachtelijke operatie is het bestaande brugdek 250 mm getild, waarbij een deel van de last van de bestaande kabels en pylonen is afgehaald. De kokerliggers van hogesterktestaal versterken de bestaande brug door de last van het eigen gewicht van de brug over te nemen, en de stijfheid die ze toevoegen verlicht de bestaande brug van een deel van de verkeersbelasting.
Bijzondere aspecten bouwkundig concept / ontwerp
Het rijdek van de Galecopperbrug bestaat uit een stalen balkenrooster met een orthotroop rijdek. De dekplaat is verstijfd met troggen, die over de volle breedte van de brug aan de onderkant zijn gelast. Deze constructie maakte het begin jaren ‘70 mogelijk om de brug zo licht mogelijk uit te voeren. Tijdens de bouw van de brug zijn de lijven van de troggen met het dek verbonden door hoeklassen. Met de kennis van nu zouden deze verbindingen met een volledige doorlassing worden uitgevoerd. De hoeklassen zorgden voor spanningsconcentraties in het stalen dek waardoor er vermoeiingsscheuren konden ontstaan, met als gevolg spinnenwebachtige scheuren in het asfalt. Het wegdek liet hierdoor los en moest regelmatig worden gerepareerd.
Rijkswaterstaat wilde de Galecopperbrug versterken met hogesterktebeton (HSB). Nadeel van het materiaal is echter dat het zwaarder is dan asfalt. Bij gebruik van HSB moest de hoofddraagconstructie van de brug dus worden versterkt. Belangrijk voordeel is dat HSB veel stijver is dan asfalt, waardoor de belasting van de brug beter over het dek wordt verspreid. HSB voorkomt op die manier dat de druk van de ‘super single’-banden van vrachtwagens zich concentreert op een relatief klein oppervlak. Dit reduceert aanmerkelijk de spanningswisselingen die ontstaan bij het passeren van vrachtwagens. Hierdoor ontstaan er geen nieuwe vermoeiingsscheuren meer in het stalen brugdek, dat met name rond de lassen van de troggen gevoelig is voor vermoeiing.
Voor de levensduurverlenging was versterking van het brugdek alleen onvoldoende. De brug moest ook op Rijnhoogte worden gebracht om binnenvaartschepen met vier lagen containers mogelijk te maken op het Amsterdam-Rijnkanaal in plaats van de voorheen gebruikelijke drie. De Galecopperbrug was gebouwd op 8,60 m +NAP, wat te laag is voor de met vier lagen containers beladen schepen. De brug moest daarom worden verhoogd naar op 8,90 m +NAP, rekening houdend met de bijkomende doorbuiging door het verkeer van de toekomstig verbrede brug.
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
De geplande HSB-overlaging zorgden voor een aanzienlijk zwaardere constructie. De bestaande funderingen konden die niet dragen, zo bleek uit onderzoek. Met name de funderingen onder de pylonen, waarvan de capaciteit voor 90% was benut, schoten tekort om de aanpassingen aan de brug en de toename van het verkeer te kunnen dragen. De capaciteit van de funderingen aan de buitenzijde werd voor 60% benut.
Om te bepalen of de bestaande fundering kon worden versterkt, liet het geotechnische team bodemonderzoeken uitvoeren om vast te stellen of de dieper gelegen zandlagen in de bodem de extra last van een verzwaarde fundering zouden kunnen dragen. Daartoe werden proefboringen uitgevoerd tot dieptes van 35 en 45 m en werd een belastingtest uitgevoerd op een proefpaal van de uiteindelijke lengte. Tevens moest worden vastgesteld of de fundering van een eerder op dezelfde plek gebouwde brug voor problemen zou kunnen zorgen.
De onderzoeken leidden tot de conclusie dat de versterking van de bestaande fundering zo stijf mogelijk moest worden uitgevoerd. Dit was noodzakelijk omdat de nieuwe funderingspalen anders de al bestaande funderingen zouden kunnen beïnvloeden.
Stalen groutinjectiepalen boden een oplossing voor het funderingsprobleem, waarbij in een zeer beperkte ruimte onder de brug moest worden gewerkt. De 30 m lange stalen schroefpalen werden in delen van elk 5 m lang bij het boren aan elkaar gelast en vervolgens geïnjecteerd met grout. Door gaten in de bestaande funderingen werden de stalen schroefpalen stap voor stap de grond in gedraaid.
De benodigde stijfheid werd verkregen doordat de schroefpalen de druk van de constructie op schachtwrijving over de volle lengte verdelen; standaard funderingspalen brengen de druk op de paalpunt over. Daarnaast zijn de nieuwe funderingspalen op een dieper gelegen zand- en kleilaag neergezet dan de bestaande funderingspalen om indrukking van de reeds door de bestaande fundering belaste grondlaag te voorkomen.
Voor de stalen kokerliggers die tussen de twee bruggen zijn geplaatst, werd een fundering gebouwd die boven de bestaande fundering ‘zweeft’. Dat was noodzakelijk om de nieuwe fundering onafhankelijk van de bestaande fundering te laten bewegen om zo te voorkomen dat er alsnog belasting zou worden afgedragen naar de bestaande fundering. Op de koppen van de palen, los van de grond en de bestaande fundering, werd de nieuwe fundering gebouwd.
Bijzondere aspecten uitvoering
De vier hogesterktestalen kokerliggers (S460) zijn in de werkplaats geprefabriceerd en vervolgens op pontons naar de locatie gevaren. Dit maakte een betere planning mogelijk en beperkte de hinder voor de vaarweg. Het constructieve voordeel van de stalen kokerliggers is dat deze de draagkracht van de brug vergroten zonder dat de bestaande constructie ingrijpend moest worden veranderd.
De kokerliggers zijn na plaatsing bij de landhoofden met verankeringskabels op de opleggingen gespannen om zo de opwaartse kracht te compenseren, die ontstaat door het gewicht van de brug en de verkeersbelastingen. Door de toegevoegde stijfheid van de kokerliggers worden er krachten uit verkeersbelastingen aan de bestaande constructie onttrokken. Daarnaast is het brugdek, dat door de jaren heen was gezakt, door de kokerliggers zo’n 250 mm omhoog gedrukt. Hiermee zijn de bestaande tuikabels ontlast en is het brugdek door de stalen kokerliggers ‘voorgespannen’. De stalen kokerliggers danken hieraan hun bijnaam: voorspanliggers.
De beperkte marges waarbinnen moest worden gewerkt, zorgden bij het ontwerpen van de stalen voorspanliggers voor de grootste uitdagingen. De liggers, elk 326 m lang, werden in drie delen geplaatst. Hierbij mochten de liggers niet meer dan 50 mm afwijken. De ruimte tussen de twee bruggen was beperkt waardoor deze liggers slanker uitgevoerd moesten worden dan de liggers aan de buitenkant. De ruimte tussen beide liggers was hier niet meer dan 100 mm.
De uitbreiding van de rRing Utrecht wordt – als de besluitvorming hierover is afgerond – op de buitenste voorspanliggers gebouwd, zo is besloten bij het ontwerp van de constructieve versterkingen. Hierdoor moest de bovenkant van de stalen liggers op precies dezelfde hoogte komen als het stalen brugdek. Tegelijkertijd was de ruimte aan de onderkant van de brug zeer beperkt omdat de schepen op het Amsterdam-Rijnkanaal extra ruimte nodig hadden.
Om binnen de beperkte marges te kunnen ontwerpen en bouwen, is een model ontwikkeld waarmee de vervorming van de voorspanliggers en de bestaande brug nauwkeurig kon worden berekend en voorspeld. Het model werd gedurende het hele bouwproces gebruikt, want de liggers vervormden bij iedere stap in het proces; tijdens de bouw in de fabriek, het plaatsen op de oplegpunten en het voorspannen. Tevens onderging de brug zelf ook vervormingen door het voorspannen, vijzelen en het HSB.
De hinder voor het verkeer bleef tot een minimum beperkt door de liggers in één nacht met de brug te verbinden en de brug direct daarna te vijzelen. Bij deze ene actie is het draagsysteem overgegaan van het bestaande, overbelaste stalen dek en funderingen naar de nieuwe versterkingsliggers en nieuwe fundering.
Om de brug te kunnen vijzelen moest de draagconstructie van de brug worden aangepast. In het oorspronkelijke ontwerp werd het brugdek gedragen door zes in de lengte geplaatste hoofdliggers in de overspanningsrichting. De configuratie van de opleggingen volgde niet de schuine kruisingshoek waarover de brug het kanaal overspant. In plaats daarvan waren de opleggingen in paren loodrecht op de hoofdliggers geplaatst. Dit leidde tot grote dwarskrachten en momenten in de hoofdliggers bij de pijlers. Tevens was er een trek-drukkoppel aanwezig op deze pijleropleggingen. Dit oplegsysteem maakte rotaties tijdens het vijzelen van de brug onmogelijk en had een negatieve uitwerking op de sterkte van de hoofddraagconstructie.
De draagconstructie is zo aangepast dat slechts drie van de zes oplegpunten per landhoofd overbleven. Hiervoor werd tussen twee hoofdliggers een nieuwe draagconstructie gebouwd. Daarnaast werden de oplegpunten zo geplaatst, dat deze in lijn kwamen te liggen met de kades van het Amsterdam-Rijnkanaal. Bovendien werden de oplegpunten zo dicht mogelijk bij de einddwarsdragers geplaatst. Dit maakte het mogelijk bij de pijlers te vijzelen, terwijl de landhoofdopleggingen een gelijke hoogte hielden. Tevens werden de vervormingen in de voegconstructie op deze wijze beperkt. De pylonen staan op afzonderlijke opleggingen, los van het brugdek. Om te voorkomen dat de tuikracht enorm zou afnemen, zijn de pylonen ook gevijzeld en afgesteld op de gewenste tuikracht. Het vijzelen van de pylonen was één van de technische spanningsmomenten van het project.
Er is besloten om het vervangen van de opleggingen te combineren met het vijzelen van de brug. Doordat de nieuwe opleggingen op andere locaties lagen dan de bestaande opleggingen konden de werkzaamheden in grote mate worden voorbereid voor aanvang van het vijzelen. Het vijzelen en het vervangen van de opleggingen werd in een kleine week gedaan, waarbij de brug ’s nachts steeds zes uur lang werd afgesloten voor wegverkeer. In de eerste nacht werden de bestaande opleggingen verwijderd waarna de het brugdek, de pylonen en de voorspanliggers afzonderlijk worden gevijzeld. Aan het eind van deze eerste nacht werd de constructie op de nieuwe opleggingen geplaatst. Vóór het begin van de ochtendspits was de brug open voor verkeer.
Bijzondere functionele aspecten van het bouwwerk
De renovatie van de Galecopperbrug leidde door de beperkte marges in tijd en beschikbare ruimte tot nieuwe oplossingen. Met name de eis van Rijkswaterstaat dat de hinder zoveel mogelijk moest worden beperkt waardoor de brug niet kon worden afgesloten, beperkte de ontwerpvrijheid.
De projectpartners willen de kennis die zij in het proces hebben ontwikkeld graag delen met anderen, om zo vergelijkbare problemen in andere landen op te lossen. Daarnaast kan de bij de Galecopperbrug opgedane ervaring worden ingezet bij de renovatie en versterking van vergelijkbare bruggen in Nederland.
