De Ultrabruggen zijn gebaseerd op een effectief modulair systeem dat er voor zorgt dat bruggen tot 30 meter lang en 5 meter breed economisch kunnen worden gebouwd met slechts twee standaardelementen: (1) het leuningelement en (2) het dekelement. Beide elementen zijn gemaakt van ultra hogesterktebeton (UHSB) en worden voorgespannen om op deze manier een brug te vormen.
Het leuningelement van de brug heeft zowel een esthetische als, een zowaar nog belangrijkere, dragende functie. Het belang van de leuning met betrekking tot de draagcapaciteit van de brug wordt bepaald door het architectonische ontwerp en het patroon van de stijlen van de leuning. Afhankelijk van het ontwerp kan de leuning extra worden gewapend en voorgespannen.
De bruggen zijn ontworpen voor een variabele belasting van 5 kN/m² over het gehele brugdek en 120 kN in geval van een dienstvoertuig. Naast het staal of PP-vezels, wordt er een wapening van Ø10-200 mm toegepast in het dek. In termen van de afmetingen van het dek, wordt er op deze manier een grote mate van slankheid gerealiseerd. De toegepaste dikte van het dek is gewoonlijk 40-60 mm (1/60 L) als het CRC (Compact Reinforced Composite) principe wordt aangenomen. Dit principe is ontwikkeld door de Deen Hans Henrik Bache (Aalborg Portland, Denemarken) in 1986.
Het dek wordt gebold in dwarsrichting in verband met afwatering. Verdere drainage wordt bewerkstelligd door een smalle sleuf tussen het leuningelement en het dek. De onderkant van het dek is vlak.
De dikte van de stijlen van de leuning kan variëren, maar in het algemeen is de dikte niet meer dan 120 mm. De dikte kan aanzienlijk worden verminderd omdat de dekking van de wapening slechts 10-15 mm is. De leuningen zonder traditionele wapening bleken geschikter in verband met de productiesnelheid, echter tezamen met een grotere dwarsdoorsnede kan dit het storten en het trillen bemoeilijken. Het eindontwerp moet zowel het constructieve gedrag als het productieproces in ogenschouw nemen.
Constructief systeem
CONSTRUCTIE
Materiaal
Alle Ultrabruggen zijn gemaakt van ultra hogesterktebeton (UHSB). Dit materiaal heeft verschillende eigenschappen die de bruggen uniek maken in zijn soort. Het voordeel van dit beton is de extreem hoge druksterkte van meer dan 150 MPa, die meerdere malen hoger is dan dat van normaal beton. De treksterkte en buigtreksterkte hangen af van het gekozen betonmengsel. Tijdens het storten van een element worden ook altijd proefkubussen gemaakt van het gebruikte betonmengsel in verband met het uitvoeren van latere drukproeven.
Om de hoogst mogelijke druksterkte te bereiken moet de water/cement verhouding relatief laag zijn (w/c = 0.16). De lage w/c verhouding beïnvloedt de verwerkbaarheid (samenstelling en initiële hydratatie). Het beton met een lage w/c verhouding gedraagt zich als een dicht thixotropisch materiaal.
Extreem lage porositeit en de daaraan gerelateerde lage doordringbaarheid en chlorideverspreiding zorgen voor het bereiken van een minimale betondekking van ongeveer 10 mm. Deze eigenschap stelt ons er toe in staat erg slanke betonelementen te maken.
Voorgaand onderzoek resulteerde in specifieke veranderingen in het ontwerp van het mengsel met betrekking tot de samenhang, de aanwezigheid van vezels, en de maximale diameter van de korrel. Het constructieve materiaal van de eerste Ultrabrug in Rotterdam was met staalvezel versterkt ultra hogesterktebeton met sterkteklasse C170/200. Deze sterkte werd bereikt door de dichte microstructuur van het bindmiddel. Voor deze brug van 19 meter lang en 3.4 meter breed werd minder dan 9 m³ beton gebruikt.
Het ontwikkelde betonmengsel voor deze brug bestond uit:
-
Gecalcineerd bauxiet in orde grootte van 0-6 mm
-
Portland cement 52.5
-
Micro-silica
-
Toevoegingsmiddelen en bijmenging
-
200 kg staalvezels/m³ (0.4 mm in diameter en 12.5 mm lang)
-
Water-cement verhouding (w/c) 0.16 – 0.17
De eigenschappen en het gedrag van beton kan in potentie worden gewijzigd door toevoegingsmiddelen en bijmenging. Naast deze constructieve eigenschappen kan ook de kleur worden aangepast. Er zijn veel opties voor het verkrijgen van de kleur van het beton, die de brug vanuit een esthetisch oogpunt aantrekkelijker kan maken.
Voorspanning
Het is gebruikelijk dat de Ultrabruggen in een keer worden voorgespannen (of nagespannen) over de gehele lengte van de brug door twee paar rechte of gebogen voorspankabels, die door de leuningen lopen. De voorspankabels aan bovenzijde van de leuning worden enkel aangebracht ter stabilisatie, terwijl de primaire voorspankabels aan de onderkant de constructieve functie hebben om de brug te dragen. Voordat de leuningen zijn voorgespannen en tegen elkaar aan zijn gedrukt, worden de zijdes eerst opgeruwd met een speciale versnipperaar. Een vlak en ruw contactoppervlak wordt verzekerd door eerst het oppervlak te hameren voordat met het voorspannen wordt begonnen. Vlak voor het aanbrengen van de voorspanning wordt er een lijm, bestaande uit twee componenten epoxy, aangebracht tussen de leuningen. De uithardingstijd van de epoxy bedraagt twee uur. Eerst wordt de onderste voorspanningskabel gespannen op 10% van zijn aan te brengen voorspanningskracht om de epoxy te laten uitharden.
De rechtlijnige vorm van de leuningen moet worden verzekerd door geleidingsprofielen die zijn aangebracht ter plaatse van elke gelijmde verbinding. Om de begeleiding van de leuningelementen te ondersteunen worden TEFLON-platen onder de elementengeplaatst. Nadat de onderste voorspankabels volledig zijn gespannen, wordt de bovenste voorspankabel in de leuning direct voorgespannen tot 100%. Na het voorspannen van de kabels worden de voorspankanalen gevuld met grout. Hierna worden de dekelementen op de leuningelementen geplaatst. De ruimten voor de boutconnectie tussen leuning en dek worden opgevuld met beton. De gehele brug kan in één dag worden gemonteerd. Na één week is het grout in de voorspankanalen, en het beton in de ruimten ten behoeve van de boutconnecties, normaal gesproken hard genoeg om de brug in zijn geheel te transporteren naar locatie.
