Algemene projectomschrijving
Het project UtARK is in juli 2015 door ProRail door middel van een Best Value proces gegund aan BAM Infra (BAM) en HSM Steel Structures (HSM).
Tussen de stations Leidsche Rijn en Utrecht Centraal wordt over een lengte van bijna 2 km het aantal sporen van twee naar vier verdubbeld. Ook de uitbreiding en verbreding van het betonnen spoorviaduct over de Cartesiusweg en aanpassingen aan de bestaande spoorbrug (verhogen en geluidsbeperkende maatregelen) zijn onderdeel van het project.
HSM is verantwoordelijk voor de bouw en aanleg van de stalen boogbrug. Deze nieuwe oeververbinding is in dit voorontwerp tussen de bestaande spoorbrug en de gele verkeersbrug (Hogeweidebrug) gesitueerd. Tussen de nieuwe spoorbrug en de Hogeweidebrug is ruimte gereserveerd voor een toekomstige busbaan. De tussenruimte naar de bestaande spoorbrug is gedimensioneerd op 20 cm.
Technische gegevens spoorbrug UtARK
Lengte spoorbrug: 172 m
Hoogte spoorbrug: 30m
Staalgewicht (transportgewicht) spoorbrug: 3350 ton
Eindgewicht spoorbrug: 6000 t
Data gegevens:
Start fabricage: augustus 2016
Aanvoer brugdelen naar de voorbouwlocatie: medio april 2017
Transport en installatie over ARK: 17 t/m 20 november 2017
Ingebruikname spoorbrug: 16 april 2018
Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
De hoofddraagconstructie is een boogbrug met het brugdek als trekband, voorzien van verticale hangers, zie tekening 'Overzicht staalconstructie boogbrug'. Dit type brug heeft een beduidend andere krachtswerking dan een boogbrug met diagonale hangers. Bovendien heeft de nieuwe spoorbrug een kruisverband tussen de boogliggers en een flexibele verbinding van de dwarsdragers aan de hoofdliggers. Vermoeiing en stijfheid blijken maatgevende criteria en daarom is de volledige staalconstructie uitgevoerd in S355.
Constructief zorgt de boog met een forse maat van 4 m hoogte voor de draagkracht, waardoor een relatief dun spoordek kan worden gemaakt. Dat geeft aan de onderkant ruimte voor de gewenste doorvaarhoogte. In tegenstelling tot de oude naastliggende spoorbrug maakt de nieuwe brug in één keer de overspanning zonder tussensteunpunten. Net als de naastliggende gele verkeersbrug (Hogeweidebrug) is hij hierdoor toekomstvast. Het resultaat: drie lichte, stalen bruggen op een rij, een duurzame keuze bovendien.
De juiste keuze van de detaillering in een vroeg stadium van het ontwerpproces heeft geresulteerd in een optimaal brugontwerp met een geoptimaliseerd staalgewicht. Vooral de toepassing van flexibele (scharnierende) dwarsdrageraansluitingen resulteert in een reductie van noodzakelijke verstijvingen en vermoeiingsgevoelige lasverbindingen. Ook de bouwmethode is in een vroeg stadium geïntegreerd in het ontwerp om verrassingen achteraf bij toetsing van assemblage en inrijden evenals het detailleren van de hulpconstructies te voorkomen.
Bijzondere aspecten bouwkundig concept / ontwerp
De nieuwe spoorbrug ligt door zijn forse dimensionering prominent midden tussen zijn oudere broertje uit 1970 met een kortere overspanning en de gele verkeersbrug 'Hogeweidebrug' (2008). Zie ook foto 1: inpassing van de nieuwe spoorbrug, Your Captain Luchtfotografie. De straal van de boog van de Hogeweidebrug is overgenomen in de nieuwe boog voor een harmonieus en rustig beeld. De karakteristieken zitten in de aansluitingen van hangers en de subtiel verjongende kruisverbanden tussen de bogen. De boogbrug is in veel opzichten een ingetogen verschijning met ranke hangers door een fijne ‘spatiëring’. Bewust is een keus gemaakt voor een verticale geometrie van de hangers om aan te sluiten bij de bestaande spoorbrug. Bij V-vormige hangers zou de spoorbrug visueel verwantschap krijgen met de autoverkeersburg en krijg je geen helder verhaal. Ook door toepassing van de stevige kleur grijs is de eenheid met de bestaande spoorbrug teweeg gebracht; een helder statement in het totale ensemble. In een esthetische detaillering is er integraal aandacht besteed aan het kanaliseren van regenwater. Door bewust aangebrachte richeltjes zal er niet ongewenst lokale vervuiling optreden op de gevelvlakken van de bogen. Hierdoor is de brug ook esthetisch duurzaam.
De nieuwe stalen spoorbrug over het Amsterdam-Rijnkanaal is het sluitstuk van de spooruitbreiding tussen Utrecht Centraal en Leidsche Rijn in de corridor Utrecht-Gouda. Er ligt nu tussen Utrecht en Leidsche Rijn een ensemble van drie bruggen, zorgvuldig gecomponeerd en toekomstvast. De nieuwe spoorbrug vormt het sluitstuk en is zorgvuldig ontworpen in het totaal. De keuze voor het type hoofdconstructie is daarbij het belangrijkste moment. Daarbij greep projectarchitect Paul van der Ree van StudioSK/Movares terug op de stedenbouwkundige visie op bruggen in Utrecht, waarin doorgaande (spoor)bruggen boogbruggen zijn. Vanuit de karakteristieke brugtypologie over het Amsterdam-Rijnkanaal is gekozen voor een grote stalen boogbrug in rustige kleuren en met een robuust, industrieel uiterlijk voor doorgaande spoorinfrastructuur.
Een groot gebaar als landmark was hier niet gewenst. Een brug met een sterke signatuur moet je op deze plek niet willen; daarmee creëer je een chaotisch totaalplaatje. Te midden van twee flankerende totaal verschillende bruggen was de insteek het streven naar rust in het eindbeeld en een toekomstvast ontwerp. De inpassing van de nieuwe spoorbrug over het Amsterdam-Rijnkanaal, in het spoortraject tussen Utrecht Leidsche Rijn en Utrecht Centraal, bepaalt in hoge mate het constructief ontwerp. De brug vervult zonder omhaal zijn hoofdfunctie, door in één keer het water met een overspanning van 168 m te overbruggen. Met de pure en krachtige hoofdvorm wordt een kenmerkende typologie doorgezet en daarin schuilt visuele rust.
Om te voldoen aan de wensen van Rijkswaterstaat zal in de toekomst de oude spoorbrug wellicht ook vervangen worden. Daarom is er tijdens het ontwerpproces ook in beeld gebracht wat dan het eindbeeld zou zijn. 'Dat plaatje moet ook kloppen. Dat doorkijkje naar de toekomst geeft het beeld te zien waarbij de oude spoorbrug vervangen wordt, bijvoorbeeld door een identiek exemplaar als dat er nu net gemaakt is. Je krijgt dan een betere balans in het ensemble. De spoorbruggen vormen dan een ‘tweeling’, zoals je kent van de Van Brienenoordbruggen, met daarnaast de kleurige Hogeweidebrug. Naast de beide boogbruggen voor het spoor is dan duidelijk afleesbaar dat de verkeersbrug een lichtere verkeersklasse te dragen heeft en zich constructief maar ook visueel onderscheidt van de spoorbruggen die functioneel en visueel bij elkaar horen.'
Tussen de nieuwe spoorbrug en de Hogeweidebrug is ruimte gereserveerd voor twee busbanen. Met de nieuwe brug is het spoor verdubbeld en kunnen daardoor naar verwachting eind 2018 meer treinen halteren op station Utrecht-Leidsche Rijn. Door het reserveren van deze benodigde ruimte blijft er tussen de UtARK brug en de bestaande spoorbrug slecht 20 cm ruimte over, dit geeft de nodige uitdagingen voor zowel ontwerp als voor de brugmontage.
De constructiehoogte van de hoofdligger wordt bepaald door de hoogteligging van het passeerpad. Enerzijds moet dat pad bereikbaar zijn vanaf de hogere hoofdligger van de bestaande spoorbrug, anderzijds geldt een maximaal hoogteverschil vanaf bovenkant van het spoor op de brug. Een optimum is gevonden in een constructiehoogte van 2,4 m met een extra opstap op de voorziening voor het afvoeren van hemelwater langs het ballastbed. Met deze extra opstap kan personeel werkend op het spoor vanaf het ballastbed eenvoudig het passeerpad bereiken. Voor de boogdoorsnede is vermoeiing maatgevend. Met een maximale flensdikte van 100 mm is een constructiehoogte van 4,0 m vastgesteld.
De hangers van de boogbrug zijn uitgevoerd in buisprofielen met een diameter van 245 mm. Er is daarom besloten om al tijdens de bouw de hangers te voorzien van spiralen, de aangedragen beheersmaatregel van de architect.
Het brugdek is uitgevoerd met een 370 mm betondek in combinatie met een ballastbed voor minimale geluidproductie. De spoorbrug is aan beide zijden voorzien van een passeerpad, met het noordelijke pad nagenoeg tegen de bestaande spoorbrug. Zowel de boog- als de hoofdliggerdoorsnede zijn uitgevoerd als luchtdicht afgesloten kokerprofielen.
De spoorbrug is opgelegd op vier bolsegmentopleggingen en de horizontale belastingen worden afgedragen door een dookconstructie op elk landhoofd, waarvan één met verhinderde translatie en één met een verhinderde translatie in dwarsrichting van de spoorbrug.
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
Anders dan een boogbrug met diagonale hangers treden bij verticale hangers de maximale verplaatsingen en krachten op bij een kwart van de overspanning. Bij een belasting waarbij twee treinen naast elkaar tot halverwege de brug staan, moet de boogligger (met een beduidend grotere buigstijfheid dan de hoofdligger) de krachten grotendeels op buiging afdragen naar de steunpunten. Om deze reden is de flensdikte variabel over de lengte van de bogen met als kleinste plaatdikte 40 mm. Naast de vermoeiingstoetsing is de maximaal toelaatbare verticale vervorming bij spoorbelasting van L/800 ook een belangrijk criterium.
Ondanks de aanwezigheid van het windverband is de toetsing van de stabiliteit van de boogdoorsnede van belang. De knik- en kipstabiliteit van de smalle, hoge boogdoorsnede wordt gegarandeerd door een verticale verstijving achter de aansluiting van het windverband met het binnenlijf van de boog. De boogdoorsnede kan hierdoor niet zijdelings verplaatsen en torderen door de normaaldrukkrachten en buigende momenten.
De plaatdikte van de lijven is geoptimaliseerd in relatie tot het plooigedrag van de in langsrichting verstijfde lijfplaten en de afstand tussen de dwarsschotten. De constructiehoogte van de trogvormige langsverstijvers is overigens beperkt tot 250 mm (inclusief lijfplaat) vanwege de gereserveerde breedte van 600 mm voor toegankelijkheid in de boogdoorsnede voor fabricage en eventuele toekomstige inspectie. Ook een luchtdrukverschil tussen de binnen- en buitenzijde van de kokerligger is hierbij in rekening gebracht. Toetsing is uitgevoerd met een tweede orde-berekening met een imperfectie die gebaseerd is op de plooivorm bij de laagste eigenwaarde van de stabiliteitsberekening.
De vermoeiingstoetsing is maatgevend gebleken voor het ontwerp van de boogdoorsnede. Bij elke 14 m lengte, corresponderend met de maximale te leveren plaatlengte, is een dikteovergang in de flens toegepast. Deze stuikverbinding, met een centrische dikteovergang maar een reductiefactor ks op de kleinste plaatdikte, is maatgevend voor de toetsing op vermoeiing. De hangeraansluiting, met een ovale sparing in de onderflens en daardoor het optreden van een spanningsconcentratie, blijkt minder kritisch. Voor het bereiken van een luchtdicht afgesloten constructie, is de opening tussen hanger en flenssparing afgesloten met een flexibele constructie (zogenaamde hoedconstructie), opgebouwd uit dunne, ronde en buisvormige plaatelementen.
In het ontwerp van de hoofdliggers is de detaillering van de dwarsdrageraansluiting een belangrijk gegeven. Uitgangspunt hierbij is geweest om een zo flexibel mogelijke aansluiting te maken. Hiermee blijven de inklemmomenten van de dwarsdrager bij spoorbelasting beperkt. Deze momenten hebben een grote impact op de vermoeiingssterkte door de kleine invloedslengte en het grote aantal in rekening te brengen belastingwisselingen en hoge dynamische vergrotingsfactor. Dat is getackeld door een lijfdikte van 15 mm aan de binnenzijde van de hoofdligger en een specifieke detaillering van de interne schotten. De dwarsschotten zijn namelijk over een lange lengte vrijgehouden van het binnenlijf, waardoor de dwarsdrageraansluiting zich zo flexibel mogelijk kan gedragen. De dwarsdrager bovenflens hoeft door deze ontwerpkeuze niet tegen de hoofdligger gelast te worden, wat een reductie geeft op de fabricagekosten ten opzichte van een ingeklemde verbinding. De dwarsdragers zijn uitgevoerd als een staal-beton ligger met een hart-op-hart afstand van 3,5 m.
Door de relatief kleine breedte van de brug is de zijdelingse stijfheid ook kritisch. Door de windbelasting zal een te grote rotatie voor het spoorverkeer bij de landhoofden optreden. Om eventuele conservatisme bij de berekening van de statische windbelasting uit de Eurocode te omzeilen, is besloten om een windtunnelonderzoek uit te voeren met een model van de spoorbrug. De resultaten komen overeen met de normbelasting voor deze constructie op deze locatie. Daarom is besloten om de zijdelingse stijfheid te bereiken door het vergroten van de lijfdikte van de buitenlijven van de hoofdliggers, namelijk 10 mm extra plaatdikte over een lengte van ± 60 m.
Invloed bouwfasering:
Door slechts twee hulpconstructies te gebruiken voor de ondersteuning van de bogen tijdens assemblage, wordt de uiteindelijke krachtsverdeling en optredende vervormingen mede bepaald door de bouwfasering. De hoofdliggers daarentegen zijn door meerdere hulpconstructies ondersteund, met een zodanige hart-op-hart afstand dat de invloed van de bouwfasering klein is op de hoofdliggerdoorsnede. De hulpconstructies van de boog zijn verwijderd nog voordat de hangers zijn aangebracht, waardoor de bogen een vrije overspanning maakte van 168 m.
Het betondek is onderdeel van de trekband van de boog en voorzien van veel wapening om de scheurwijdte te beperken. In een vroeg stadium van het ontwerp is nagedacht hoe het betondek veilig kan worden aangebracht boven het Amsterdam-Rijnkanaal, zonder te hoeven ontkisten met eventuele hinder voor de scheepvaart. Er is besloten om een deel van het betondek, als een soort breedplaatconstructie, op de voorbouwlocatie aan te brengen over een lengte gelijk aan de breedte van het kanaal. De druklaag, inclusief de verbindingen tussen de elementen en de staalconstructie, worden op de definitieve locatie gestort. Deze verbinding zou niet haalbaar zijn met de lassen van de wapening in combinatie met de hoeveelheid deuvels op de dwarsdragers. Daarom is ervoor gekozen om de elementen op de voorbouwlocatie te storten met doorlopende wapening bij de dwarsdragers en dus met de wapeningslassen buiten de dwarsdragerzone. Over de resterende lengte van het brugdek is op de voorbouwlocatie een bekisting (met onderwapening) aangebracht.
De krachten tijdens transport vanuit de SPMT’s zijn ingeleid in de relatief dikke buitenlijven van de hoofdliggers. Om torsie van de hoofdliggers te voorkomen – de dwarsdragers zijn hieraan immers scharnierend bevestigd – zijn tijdelijke horizontale koppelingen tussen de bovenflenzen van de hoofdliggers aangebracht. Door de relatief lage stijfheid en weerstand van de hoofdliggers en beperkte drukcapaciteit van de hangers zijn tijdelijke koppelingen aangebracht om de krachten door te voeren naar de bogen.
Hangeraansluiting:
Als de spoorbrug voor een kwart vol belast wordt, treedt de maximale vervorming op. Bij de hangeraansluitingen is dit zowel een verticale als een horizontale vervorming. De hangers zijn uitgevoerd als buisprofielen en als deze volledig gelast worden aan de hoofdconstructie, treden er hoge buigspanningen op, met name voor de korte hangers dichtbij de booggeboorte. Er is in eerste instantie overwogen om de hanger volledig gelast tegen de flenzen van de hoofdligger uit te voeren, maar dat werd niet als haalbaar beoordeeld, met name voor vermoeiing. Om deze buigspanning door vervorming te beperken, is er voor gekozen de aansluiting flexibel(er) te maken. Dit is gedaan door de hangeraansluiting uit te voeren met een schetsplaat in de hoofdliggers, die in dwarsrichting tussen de lijven van de hoofdliggers gelast wordt. Omdat de hanger door de flenzen van de boog en hoofdligger heen steken en er een ruimte rondom tussen de hanger en de flens is, is de hoedconstructie bedacht om de kokerliggers luchtdicht te maken. De schetsplaatverbinding, de sparing in de flens en de eerder beschreven hoedconstructie zijn met een gedetailleerd rekenmodel op vermoeiing getoetst. Met name voor de hoedconstructie rond de ovale flenssparing was het een iteratief proces om de juiste plaatdikte en afmetingen te bepalen. Dit onderdeel moet immers voldoen op sterkte en vermoeiing, maar toch ook voldoende flexibiliteit hebben.
Detail booggeboorte en einddwarsdrager:
Het proces van het detailontwerp van de booggeboorte en de aansluiting van de einddrager is begonnen met een minimum aan verstijvers en schotten in de booggeboorte. Alleen de schotten, bij de opleggingen en vijzelpunten, zijn van begin af aan in het rekenmodel toegepast. Al in een vroeg stadium is er vanuit het ontwerpteam regelmatig overleg geweest met HSM, om de mogelijkheden en wensen van de fabricage te bespreken. De keuze voor de gewenste locatie van de stuiklassen en overgangen in plaatdiktes zijn vastgelegd. Bovendien is besproken wat er aan ruimte tussen verstijvers minimaal nodig is om alle lassen goed uit te kunnen voeren, evenals de keuze van dikkere platen versus meer schotten en/of verstijvers. De hoofdligger en boog hebben een gelijke breedte en de lijven liggen in elkaars verlengde, zodat kan worden volstaan met een minimum aan schotten.
De betonvloer werkt mee als trekband in de boogbrug, wat tot gevolg heeft dat er aan het eind van het dek een grote trekkracht, via de einddwarsdrager, naar de hoofdligger overgebracht moet worden. Dit is opgevangen met een brede einddwarsdrager, waarbij de bovenflens met driehoeksplaten naar binnen toe is verlengd om een geleidelijke overgang te bewerkstelligen en voldoende ruimte te hebben om deuvels te kunnen plaatsen benodigd voor het overbrengen van de belasting uit de betonvloer naar de einddwarsdrager.
Dwarsdrager aansluiting hoofdligger
De hoofdliggers zijn torsiestijve kokerliggers waardoor, als de dwarsdrager volledig aan de hoofdligger aangesloten wordt, er voor vermoeiing te grote buigspanningen optreden in de aansluiting. Ook hier is de oplossing gevonden in een flexibele aansluiting, zoals eerder beschreven. In een aparte detailmodel is onderzocht over welke lengte de diafragma los moest blijven van het binnenlijf van de hoofdligger en wat de vorm van deze opening moest worden aan de bovenzijde. Vermoeiing was ook hierin bepalend. De deuvels, die het betondek verbinden met de hoofdligger zijn mede onderzocht op sterkte en vermoeiing.
Aansluiting windverband boog
De schemapunten van het windverband in de boog, ligt aan de binnenzijde van de kokerdoorsnede van de boog. Hierdoor kan de dwarscomponent van de normaalkracht in de diagonaal direct kortgesloten worden met de lijfplaat van de boog. Dit resulteert in een relatief eenvoudige detaillering voor ontwerp en fabricage. De excentriciteit van het schemapunt ten opzichte van hart de boogkoker, is meegenomen in de berekening van de boog. Omdat de hoogte van de diagonalen duidelijk kleiner is dan de hoogte van de kokerligger, zijn er verticale verstijvers in de boogdoorsnede nodig om uitwendige belasting door wind over te dragen zonder te grote buigspanningen in het binnenlijf van de koker.
De laatste dwarskoppeling van het windverband vormt met de laatste boogdelen het eindportaal. Dit eindportaal heeft een belangrijke functie in de afdracht van windbelasting vanuit de bogen en de globale stabiliteit van de gehele brug. Ook hier is de hoogte van de dwarskoppeling duidelijk kleiner dan de hoogte van de boogkoker. Daarom zijn er in de boog diafragma’s geplaatst bij de lijven van de koppeling en zijn er twee schotten geplaatst bij flenzen, zodat er een volledig moment vaste aansluiting wordt gemaakt.
Onzekerheid dynamisch gedrag:
Na een analyse van de eigenfrequenties van de spoorbrug bestond er onzekerheid over het dynamisch gedrag door treinverkeer. De laagste eigenfrequentie van de brug valt buiten het toepassingsgebied van NEN-EN 1991-2-2 figuur 6.10. Wanneer dit het geval is, wordt het stroomschema van figuur 6.9 toegepast voor een dynamische analyse. De vereiste berekening bestaat uit het bepalen van versnellingen en de dynamische vergrotingsfactoren van de spoorbrug.
De dynamische analyse is uitgevoerd met ANSYS-Mechanical waarin een gedetailleerd 3D-model van de spoorbrug is toegepast. Deze methode beschouwt lokaal gedrag van elementen en verschillende nabij gelegen frequenties en hun bijbehorende trillingsvormen (zoals bijvoorbeeld interactie tussen buiging- en torsietrillingsvormen).
Uit de beschouwing van het globale gedrag en de lokale dekversnellingen van de brug is te concluderen dat voor deze spoorbrug de analyse op basis van belastingmodel 71 leidt tot een veilige spoorbrug met betrekking tot het dynamische gedrag.
Bijzondere aspecten uitvoering
De bouwmethode is mede bepaald door de locatie waar de brug zou kunnen worden voorgebouwd. Mogelijke bouwlocaties waren (1) direct over het ARK, (2) op een voorbouwlocatie aan de westzijde van het kanaal direct naast het spoor en (3) diverse voorbouwlocaties in de omgeving.
Voor het bepalen van een juiste keuze van bouwmethodiek zijn alle belangen van betrokken partijen (stakeholders) geïnventariseerd. Door de locatie van de brug was het inherent dat er veel belanghebbenden waren; direct tussen een spoor- en een verkeersbrug, over een belangrijk en drukke vaarroute, in de stad en direct in de omgeving van bestaande projectontwikkeling. De belangen van deze stakeholders waren naast de bedrijfseconomische belangen een belangrijke factor in de keuze van de bouwmethodiek.
ProRail is naast opdrachtgever ook de spoorbeheerder. Continuïteit van het spoor is voor ProRail een maatgevend item. De gemeente Utrecht is een belangrijke partij. Er liggen langs het kanaal vele kabels en leidingen, waaronder een zeer gevoelige leiding van de stadsverwarming. Ook vindt er in de directe omgeving projectontwikkeling plaats, waardoor de belangen van de gemeente Utrecht groot zijn. De bouwactiviteiten hebben altijd raakvlakken met deze ontwikkelingen. Verder dient de toegang en ontsluiting van de stad zoveel mogelijk in stand te worden gehouden. Rijkswaterstaat is als beheerder van het Amsterdam-Rijnkanaal (ARK) verantwoordelijk voor de waterkeringen en de veiligheid van dit kanaal. Beschermende maatregelen van de oevers moeten worden afgestemd en perioden van hinder of stremmingen van het ARK moeten worden geminimaliseerd. Kortom, het bepalen van een bouwmethodiek vergt dan ook veel overleg met alle stakeholders, waarin de belangen van alle partijen worden meegenomen om te komen tot een optimale bouwmethode.
Uiteindelijk is de bouwmethode dan ook een compromis waarbij de brug op een voorbouwlocatie zou worden voorgebouwd. Hierbij is de hinder van het ARK beperkt. Bij het bouwen direct over het ARK zou de hinder immers veel langer zijn. Ook het risico op hinder van het spoor is zo beperkt. De optie voor het samenstellen van de brug direct naast het spoor heeft een hoger risico profiel. De mogelijkheid voor het bouwen naast het spoor is tevens een risico voor de naastliggende Vleutensebaan, de toegangsweg voor het auto- en busverkeer naar Utrecht. Hierbij zou ook de busbaan moeten worden omgelegd. De voorbouwlocatie is gevonden op 800 m vanaf de uiteindelijke brug locatie. De brug is op deze voorbouwlocatie gebouwd en daarna getransporteerd naar zijn uiteindelijke bestemming.
Fabricage en assemblage van de brugdelen:
Op basis van de keuze 'bouwen op een voorbouwlocatie' is de brug opgeknipt in zes grote transporteerbare delen, drie boogdelen en drie dekdelen.
Deze zes brugdelen zijn gebouwd en volledig voorzien van het conserveringssysteem in de fabricagehallen bij HSM (bouw van de drie boogdelen) en bij Hollandia Infra (bouw van de drie dekdelen). In totaal zijn de brugdelen in drie transporten aangevoerd, ieder transport bestaande uit een dek- en een boogsectie. Het transport naar Utrecht vond plaats over water. Op de bouwlocatie in Utrecht is een speciale loswal aangelegd voor het lossen van deze brugsecties. Ter bescherming van de leiding voor de stadsverwarming moest een overkluizing worden aangebracht om de leiding tijdens het rijden niet te belasten. Aangekomen op de voorbouwlocatie rijden zwaartransportwagens (SPMT’s, Self Propelled Modular Transporter) de brugdelen naar de assemblage posities. Door middel van mobiele kranen en strandjacks zijn alle delen ingehesen en gesteld.
Foto 2: Assemblage boogdeel
Foto 3: Inhijsen middendeel boog
Foto 4: Overzicht bouwplaats
Transport en installatie van de spoorbrug:
Bij het installeren van een brug heeft HSM ervaring met het compleet op pontons invaren van bruggen en met het door middel van drijvende bokken inhijsen van complete bruggen. Deze methoden van installeren waren hier helaas niet mogelijk omdat deze spoorbrug tussen twee bestaande bruggen moest worden gepositioneerd. De krappe ruimte tussen de bestaande bruggen in geeft een behoorlijke beperking in de verschillende installatie methodieken.
Om clashes eenvoudig aan de voorkant te voorkomen is deze hele operatie in een 3D-model gesimuleerd. De bestaande spoorbrug is hierbij met een point cloud meting compleet ingemeten en in dit model geïntegreerd. Uit dit model kwam bijvoorbeeld een clash met de rail onderhoudswagen op de bestaande brug naar voren, als maatregel is deze rail dan ook deels vooraf verwijderd.
Het transport en de installatie bestond uit drie stappen. De eerste stap bestond uit het oppakken en het verrijden van de brug van voorbouwlocatie naar de Vleutensebaan, in de tweede stap is de Vleutensebaan gekruist tot het Amsterdam-Rijnkanaal en in de derde stap is het Amsterdam-Rijnkanaal overgestoken.
De transportroute van de voorbouwlocatie naar de uiteindelijk bruglocatie moest zo aangelegd worden dat deze het zware transport van 3.350 ton zou kunnen dragen. Hiervoor is 75.000 m3 puin en zand gebruikt. Tevens moesten ter plaatse van de oevers zware overkluizingen worden gebouwd. Deze overkluizingen beschermden de kabels en leidingen, waaronder de buizen voor de stadsverwarming, tegen te grote zettingen. Deze voorzieningen waren omvangrijk en moesten onder grote tijdsdruk worden gerealiseerd.
Monitoring vervormingen brug:
Tijdens het transport en de installatie is continue de positie van de brug, en met name de scheefstand en torsie, gemonitord. Op deze wijze kon tijdens het transport bij vervormingen tijdig worden ingegrepen en kon ook aangetoond worden dat tijdens het transport de brug niet over zijn vervormingsgrenzen belast is.
De scheefstand en torsie van de brug zijn gemeten met een hellingmeter. Er is zowel aan de Oostzijde als de Westzijde een hellingmeter geplaatst, welke de scheefstanden maten tijdens transport in zowel de langs- als de dwarsrichting. Als back-up zijn op de hoekpunten van de brug meetpunten (prisma’s) geplaatst. In het midden van de brug op het rijdek is een Total Station (Tachymeter) opgesteld die continu deze vier hoekpunten van de brug opmat. Deze informatie geeft een back-up voor de scheefstand en torsie van de brug.
Transport en installatie; Stap 1, vrijdag 17 november:
Op de voorbouwlocatie zijn op vrijdag 17 november de SPMT’s van de Firma Sarens onder de brug gepositioneerd, welke de brug vrij drukten van de vier tijdelijke opleggingen. De brug is vervolgens tot aan de verkeersweg Vleutensebaan gereden en daar geparkeerd. Onder beide brugeinden zijn hierbij acht lijnen SPMT’s geplaatst. Dit komt neer op 2x80 assen, in totaal 640 wielen. Deze hoeveelheid is noodzakelijk om de belasting van het bruggewicht voldoende te kunnen spreiden naar de ondergrond.
Aangekomen bij de Vleutensebaan moest er gewacht worden tot vrijgave (afsluiting) van deze belangrijke verkeersader van Utrecht, bovendien werd het naastliggende spoor gestremd.
Na vrijgave werd de verkeersweg voorzien van beschermende maatregelen bestaande uit het aanbrengen van een folie en daarop Repac. Verder moesten het verkeersmeubilair en diverse bomen worden verwijderd alvorens deze weg gebruikt kon worden.
Foto 5: Rijroute voorbouw naar installatie; Transport stap 1, van de voorbouwlocatie (rechts) tot aan Vleutensebaan (grondophoging links), foto Gerrit Serné.
Foto 6: Transport over de hellingbaan; transport stap 1 over de transportroute.
Transport en installatie; Stap 2:
Zaterdag 18 november om 10.00uur was de Vleutensebaan zover geprepareerd dat het transport kon worden voorgezet. De brug is stapvoets doorgereden over deze verkeersweg, over het landhoofd tot op de overkluizing over de kanaaloever. Hier aangekomen moest worden gewacht voordat kon worden gestart met stap 3.
Deze overkluizingen, vanaf het landhoofd tot aan het Amsterdam-Rijnkanaal, zijn uitgegroeid tot forse constructies. Zware fundaties bleken nodig te zijn op de aanwezige kabels en leidingen te ontzien. Met name de aanwezigheid van de stadsverwarmingsleidingen waren een uitdaging. De restrictie van een gelimiteerde toegestane zetting van “0” mm was reden tot deze robuuste constructie. Op deze manier bleef het transport van de brug op het hoge niveau van circa 9 m NAP, gelijk aan de bovenzijde van het landhoofd.
Foto 7: Transport over de Vleuntensebaan; Transport stap 2.
Transport en installatie; Stap 3, zondag 19 november:
Tekening bruginstallatie: Stapsgewijs fase 3; start vanaf de overkluizing tot overgevaren en doorgereden naar de eindpositie.
Vanuit RWS is toestemming verkregen om het Amsterdam-Rijnkanaal (ARK) zaterdagnacht vanaf 0.00uur compleet te stremmen. Zodra deze stremming was ingegaan kon het transport worden voortgezet.
Vanaf de overkluizing is via kleppen de oversteek gemaakt tot op het ponton. Dit was op negen meter boven het wateroppervlak. Op het ponton is dan ook een zware tafelconstructie worden gebouwd om dit verschil in hoogte te compenseren, waardoor horizontaal van de overkluizing kon worden doorgereden tot op het ponton. Doordat hierbij over de smallere dwarsdoorsnede van het ponton (in breedte richting) is gereden, vergde dit een zeer nauwkeurig samenspel tussen enerzijds het oprijden via de kleppen en anderzijds het ballasten van de compartimenten van het ponton om instabiliteit te voorkomen.
Op zondag is de oversteek gemaakt. De achterste SPMT configuratie duwde de brug voort, terwijl het ponton waarop de voorste configuratie SPMT’s staan in gelijke snelheid vooruit ‘vaarde’. Daarbij is het ponton heel langzaam met stalen kabels aan lieren naar de overkant van het water geleid. Eenmaal aan de andere oever aangekomen, is een zijdelingse beweging ingezet om de nieuwe spoorbrug op zo’n 20 cm centimeter van de bestaande brug te plaatsen.
Hieropvolgend konden het Amsterdam-Rijnkanaal, de Vleutensebaan als het bestaande spoor weer worden vrijgegeven.
In de week na deze installatie zijn de SPMT’s afgevoerd en is de brug afgevijzeld tot op zijn opleggingen, tot op de definitieve hoogte. BAM Infra heeft inmiddels het betondek en de spoorgerelateerde items afgerond. Keurig volgens planning is de spoorbrug op 16-04-2018 in gebruik genomen.
Start stap 3; oprijden vanaf de overkluizing op het ponton, foto’s Gerrit Serné. Foto 8: Oprijden brug op de ponton. Foto 9: Oversteek over het ARK.
Bijzondere functionele aspecten van het bouwwerk
De nieuwe stalen spoorbrug over het Amsterdam-Rijnkanaal is het sluitstuk van de spooruitbreiding tussen Utrecht Centraal en Leidsche Rijn in de corridor Utrecht-Gouda. De inpassing van de nieuwe spoorbrug over het Amsterdam-Rijnkanaal, in het spoortraject tussen Utrecht Leidsche Rijn en Utrecht Centraal, bepaalt in hoge mate het constructief ontwerp. De brug vervult zonder omhaal zijn hoofdfunctie, door in één keer het water met een overspanning van 168 m te overbruggen. Met de pure en krachtige hoofdvorm wordt een kenmerkende typologie doorgezet en daarin schuilt visuele rust.
Het ontwerp geeft een minimale hoeveelheid aan uitwendig details, aansluitingen en verbindingen. De brug scoort hierdoor gunstig op duurzaamheid. De kokerconstructies zijn inwendig luchtdicht afgesloten waardoor deze vrij van conservering en onderhoud zijn.
Dankzij alle geluid reducerende maatregelen die in het ontwerp zijn verwerk is het geluidsverschil met de bestaande spoorbrug bijzonder groot. Een belangrijke maatregel hierin bestaat uit het toepassen van een betonnen dek met daarop een robuust ballastbed aangebracht.
De inpassing van de nieuwe brug in de omgeving en de relatie met andere bouwdelen heeft hiermee een positieve invulling gekregen. Deze inpassing in de zeer beperkt ruimte tussen de bestaande bruggen gaf zowel ontwerptechnisch als uitvoeringstechnisch de nodige uitdagingen welke succesvol zijn opgepakt.
