Nieuwe Prins Clausbrug wordt architectonische eyecatcher
Integral design
Movable bridge
Een ontwerp dat nog nooit eerder is toegepast
De nieuwe Prins Clausbrug die momenteel in Dordrecht wordt gebouwd wordt allesbehalve standaard. De beweegbare fiets-voetgangersbrug wordt 140 meter lang en bestaat uit twee stalen aanbruggen en een beweegbaar deel (val) van bijna 50 meter lang vanaf de draai-as gemeten. Het architectonische ontwerp is van een hoge ambitie. Zo heeft de brug een bijzondere vormgeving en wordt een uniek bewegingsconcept toegepast. Gemeente Dordrecht gunde het constructieve ontwerp en de uitvoering van de Prins Clausbrug aan bouwcombinatie Dura Vermeer en Hillebrand. Iv-Infra werkte in opdracht van deze bouwcombinatie het referentieontwerp uit tot een integraal definitief ontwerp en uitvoeringsontwerp.
Architectonische eyecatcher
De Prins Clausbrug gaat het centrum van Dordrecht verbinden met de nieuwe wijk Stadswerven en wordt een architectonische eyecatcher voor Dordrecht. Het unieke bewegingsconcept en de ambitieuze vormgeving van het referentieontwerp, opgesteld door architect Rene van Zuuk, vormden de belangrijkste uitdaging in de uitwerking van het architectonische ontwerp. Bij de uitwerking naar een realiseerbaar, onderhoudbaar en betrouwbaar functionerend technisch ontwerp, moesten alle onderdelen intensief op elkaar worden afgestemd om aan de hoge vormgevingseisen te kunnen voldoen.
Bijzondere vormgeving
Het bewegingsmechanisme van de brug bestaat uit een rechtopstaande scharnierende ballastmast die met een pendelstaaf overeind wordt gehouden. Bij het openen en sluiten maakt de brug een bijzondere beweging, waarbij de imposante ballastmast eerst vooroverbuigt en daarna weer terugkomt. De staal- en betonconstructies van de brug zijn uitgevoerd in vloeiende vormen. De hoofdliggers zijn ter plaatse van de achterzijde van het val gescheiden om ruimte te bieden voor de ballastmast. Aan de voorzijden vloeien ze samen tot één hoofdligger. Ter plaatse van de scheiding zijn de hoofdliggers onderling gekoppeld door vakwerkstaven. De twee hoofdliggers van het val verjongen in hoogterichting bovendeks vanaf het draaipunt in een geleidelijke beweging en gaan vloeiend over in de middenberm op de westelijke aanbrug.
Ook de stalen aanbruggen zijn vloeiend en slank vormgegeven. Aanbrug oost krult met twee brugdelen rondom de kelderpijler samen tot één dek aan het uiteinde van de brug. Fietsers en voetgangers die de brug passeren worden aan weerszijden om de ballastmast en pendelstaaf heen geleid en hebben zicht op het indrukwekkende mechanisme van de brug. Omdat de kelder geen ballastkist hoeft te bergen, is deze als een uitwaaierende ronde sokkel uitgevoerd; slank oprijzend uit het water. Vanwege de hoge vormgevingseisen zijn alle draaipunten van de bewegende onderdelen (zes stuks in totaal) volledig weggewerkt onder kappen die samenvloeien met de aansluitende constructiedelen. Het inpassen en voor onderhoud bereikbaar houden van de draaipunten in het technisch ontwerp bleek in de praktijk een hele uitdaging te zijn, met name vanwege de beperkte ruimte die er voor deze onderdelen beschikbaar was.
Bewegingsmechanisme met scharnierende ballastmast
Het val, de ballastmast en de pendelstaaf bewegen als één mechanisme. 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 met een draaipunt gekoppeld aan de aanbrug. Omdat de pendel de ballastmast overeind houdt, oefent de pendelstaaf naast een verticaal component ook een horizontale belasting uit op het onderdraaipunt. Deze horizontale component wordt via de hoofdliggers van aanbrug oost door middel van doken teruggeleid naar de sokkel, zodat de positie van het onderdraaipunt van de pendel ten opzichte van het hoofddraaipunt gefixeerd is.
Verloop onbalans bij brugbeweging
De balans van het val toont een sterke gelijkenis met een val met scharnierende ballastkist. Er is één belangrijk punt waarop dit systeem afwijkt van een val met scharnierende ballastkist: de ballastmast steunt ook in horizontale richting op het draaipunt.
De balans van het val wordt dus sterk beïnvloed door de verticale en horizontale steunpuntreactie ter plaatse van het draaipunt van de ballastmast, die weer afhankelijk is van de stand van het aan-pendelende 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 het sluitend moment om de draai-as vrijwel niet af tot circa 45 graden openingshoek, maar neemt deze iets toe. Vanaf 45 graden gaat het sluitend moment in een vloeiende beweging 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 gecompliceerd. Deze invloeden zijn daarom in een ANSYS workbench-model bepaald en verwerkt in de berekeningen van de hydraulische aandrijving.
Inventieve oplossingen voor het val
Het val bestaat uit twee orthotrope rijdekken die aan weerszijden uitkragen vanuit een centrale, stijve kern. Anders dan bij aanbrug west bestaat de kern hier uit een set van twee kokervormige hoofdliggers, die door middel van een vakwerk onderling gekoppeld zijn en een vormvast geheel vormen. Voor de staalconstructie zijn vermoeiing van de hoofddraagconstructie vanuit het openen en sluiten van de brug, en de onder- en overdruk in de luchtdicht afgesloten hoofdliggers, in belangrijke mate bepalend geweest voor het vaststellen van de profilering en afmetingen van de constructiedelen.
Daarbij vormde het beheersen van de verticale en horizontale vervormingen van het val ter plaatse van de schuine voegovergangen in interactie met de aanbruggen een belangrijke uitdaging, die tot inventieve oplossingen heeft geleid.
De vaste ligging van het beweegbare deel wordt volledig door de onbalans gerealiseerd. Het toepassen van een grendel was namelijk onwenselijk. Naast de verticale windbelasting en het variabele dekgewicht is ook de horizontale windbelasting op de ballastmast en pendel in rekening gebracht voor de toetsing van de vaste ligging van de brug. De grote onbalans (circa 5100kNm) beïnvloedt niet alleen de cilinderafmetingen, maar leidt onder andere ook tot hogere vermoeiingsbelasting op de staalconstructies.
De twee vooropleggingen van het val rusten op de staalconstructie van aanbrug west, die uitkraagt voorbij de pijler. In plaats van een starre ondergrond, wordt de brug ter plaatse van de voorhar dus opgelegd op een flexibele uitkraging. 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, is één van de twee steunpunten in onbelaste stand door middel van een bouwzeeg iets hoger geplaatst dan de andere, zodat hier relatief meer permanente belasting naar wordt afgedragen dan wanneer beide steunpunten op gelijke hoogte worden geplaatst.
Consequenties 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.
De schuine voeg van de achterhar van het val zit zo ver voor het hoofddraaipunt, dat de verticale verschilvervormingen bij een open voeg te groot werden. Om de vervormingen binnen de toelaatbare waarden te houden, is gekozen voor een extra steunpunt onder de dekplaat ter hoogte van de schuine voeg. Door de dekplaat van het val los te laten van de hoofdligger ontstaat een flexibele opgespannen voeg. Bij een uitzonderlijke combinatie van temperatuur en veranderlijke belastingen gaf ook de voeg ter plaatse van de voorhar grotere voegbreedtes dan veilig geacht werd. Door het toepassen van een zogenaamde voeglip, met onder het midden van de voorhar een extra steunpunt met speling, kon de voeg ondiep gehouden worden en werd een grotere voegbreedte toelaatbaar geacht.
Brugaandrijving
De brug wordt aangedreven door een elektro-hydraulische aandrijving die bestaat uit twee hydraulische cilinders en een elektro-hydraulische pompaggregaat. De cilinders zijn aan het val en de kelderbodem gekoppeld met twee scharnierpunten die zijn uitgevoerd met vezelversterkte kunststof bolscharnierlagers. De cilinders zijn daartoe uitgevoerd met een bodemoog en stangoog, waarin de lagers zijn opgenomen. Glijgeleidingen op zowel het bodem- als het stangoog beperken de rotatievrijheid van de cilinder en stangkop om de cilinderas. Het stangoog is door middel van een scharnierpen gekoppeld aan twee wangplaten, verbonden met de koppelbuis tussen de hoofdliggers van het val. Het bodemoog is scharnierend verbonden met de twee wangplaten van de gelaste cilinderonderstoel die aan de keldervloer is verbonden met voorgespannen ankers.
Om de krachten in normaal brugbedrijf zo goed mogelijk te verdelen over beide cilinders, zijn deze zowel aan bodem- als aan stangzijde hydraulisch gekoppeld. Hierdoor bewegen ze als het ware als één cilinder. Dit maakt een gelijkloopregeling voor de aandrijving overbodig en zelfs ongewenst. Het in- en uitsturen van de cilinders is gebaseerd op een halfgesloten hydraulisch systeem zonder toepassing van een remventiel. De brugbeweging wordt voor openen en sluiten van de brug via een vloeiend verlopend snelheidsdiagram geregeld, waarbij de bewegingssnelheid van de cilinders volledig wordt bepaald door de traploos regelbare pompopbrengst van het aggregaat. Op deze wijze wordt de brugbeweging op een beheerste en stabiele wijze bestuurd.
Bouw in volle gang
Na een intensief ontwerpproces is de bouw van de Prins Clausbrug inmiddels in volle gang. Het ontwerp van de brug maakt het een complex en uitdagend project, maar de bouwcombinatie gaat ervoor om de brug halverwege 2021 op te leveren.
Wil je meer weten over dit project?
Britte vertelt je er graag meer over. Neem contact op via 088 943 3200 of stuur een mail.
Wij zijn altijd op zoek naar nieuw talent. Hoe kan jij ons versterken?
Werken bij Iv betekent elke dag werken aan uitdagende en afwisselende projecten. Op kantoor of op locatie. Bekijk snel of er in jouw specialisme een uitdaging te vinden is!