1e prijs: Robin Rook, Robbin Lassche (Hogeschool Windesheim, Zwolle) - Renovatie stalen brugdekken met een VVK sandwichconstructie

Sinds 1997 is in Nederland meer aandacht gekomen voor de vermoeiingsproblematiek van orthotrope stalen brugdekken. Dit is naar aanleiding van een inspectie van de tweede van Brienenoordbrug, waarbij er verschillende vermoeiingsscheuren werden ontdekt. Vooral dekplaatscheuren moeten worden voorkomen, omdat deze lastig te bereiken zijn voor inspecties en omdat reparaties leiden tot langdurige verkeershinder.

Het doel van dit onderzoek is een oplossing te vinden voor de vermoeiingsproblemen van troggen onder orthotrope stalen bruggen, in combinatie met de stalen dekplaat. Dit onderzoek is een vervolgonderzoek op een afstudeeronderzoek naar renovatie van stalen bruggen door middel van vezelversterkte kunststof van voormalige studenten van Windesheim: R. Achterberg en J. van Gorkum. Nader onderzocht in het huidige afstudeerwerk is of een sandwichconstructie van vezelversterkte kunststof (VVK) met een schuimkern geschikt is voor renovatie van de brugdekken. De VVK sandwichconstructie moet de troggen onder de brug vervangen en de mechanische functies hiervan overnemen. Ten opzichte van de huidige oplossing, de HSB-overlaging, biedt een VVK sandwichconstructie verschillende voordelen:
- Lichtere constructie;
- Wordt onder de brug gefaseerd aangebracht, minder verkeershinder;
- Geen ophoging van de landhoofden.

De resultaten van het onderzoek hebben aangetoond dat de VVK sandwichconstructie over de juiste mechanische eigenschappen beschikt en de verschillende bezwijkmechanismen, die bij VVK sandwichconstructies ontstaan, kan weerstaan. Hiermee is bevestigd dat deze constructie geschikt is om toe te passen. Dit is door middel van een EEM getoetst. Ook de impactbelasting is getest. Met een experiment zijn verschillende proefstukken getest op impactbelasting, met behulp van een proefopstelling. Hieruit kwam naar voren dat de verbinding tussen het stalen dek en de kern in tact blijft. De testen hebben aangetoond dat in de gebruikte proefopstelling geen delaminatie optreedt. Hierdoor kan worden aangenomen dat dit in de werkelijke situatie waarin de VVK sandwichconstructie onder een dek bevestigd zit niet zal delamineren.

Met behulp van het opstellen van een beknopt geschreven uitvoeringsplan is dit concept, in combinatie met de bevestigingsmethode ‘infuseren’, in een project toe te passen. In economisch opzicht, zijn de totale kosten van een VVK sandwichconstructie, ten opzichte van de HSB-overlaging, sterk afhankelijk van de uitvoeringsduur. Bij projecten met grote indirecte kosten kan de VVK sandwichconstructie voordelig uitvallen vanwege de geringere verkeershinder. De piekspanningen die voor hoge spanningswisselingen zorgen, met als gevolg vermoeiingsscheuren, zijn door het nieuwe ontwerp opgelost. De VVK sandwichconstructie is zo gedimensioneerd, dat er geen verdere vermoeiing optreedt in het brugdek

Het oordeel van de jury:
De jury is enthousiast over dit onderzoek dat een onorthodoxe oplossing biedt voor een actueel probleem. De vermoeiingsproblematiek bij bruggen lijkt opgelost door staal met andere materialen te combineren. Het indrukwekkende rapport en de interessante praktijkproeven oogsten veel lof. De integrale toepassing van staal met andere materialen tot een hybride constructie is misschien wel een voorbode van het construeren in de toekomst! Maatschappelijk relevant is de voorgestelde renovatietechniek ook door de beperking van verkeershinder. De jury werd hier heel blij van: ‘Slim verbeteren, goed nagedacht, indrukwekkend onderzoeksniveau’.

2e prijs: Cansu Cirak (Haagse Hogeschool, Den Haag) - Het optimaliseren van vakwerkconstructies door middel van parametrisch ontwerpen met Grasshopper

De groei van de bouwsector leidt tot de behoefte aan tijdwinst bij het berekenen van constructies. Behalve tijdwinst neemt ook de vraag naar materiaalbesparing in het kader van duurzaamheid toe. In opdracht van IMd Raadgevende Ingenieurs te Rotterdam heeft de afstudeerder onderzoek gedaan naar het optimaliseren van vakwerkconstructies op gewicht en bouwkosten door middel van parametrisch ontwerpen met Grasshopper. IMd staat voor duurzaam construeren, waarbij de focus ligt op o.a. het optimaliseren van constructies. De missie van het bedrijf is om hiermee de milieulast van gebouwen te verkleinen en de economische waarde te vergroten.

Dit onderzoek heeft geresulteerd in een tool die het mogelijk maakt vakwerkconstructies te optimaliseren op gewicht. Door gebruik te maken van de tool kan tijd, materiaal en hiermee kosten en het milieu worden bespaard. Onder vakwerkconstructies wordt verstaan de N ligger en de V ligger. Voor beide liggers is een aparte tool ontworpen. Bij het ontwerpen van de tool is uitgegaan van een standaard situatie die vaak voorkomt bij projecten binnen IMd waarbij vakwerkconstructies worden toegepast. Deze standaard situatie is vervolgens uitgebreid met opties om in sommige gevallen af te kunnen wijken van de standaard situatie. Ook is een handleiding gemaakt in pdf formaat die dient als leidraad bij het invoeren van de invoerparameters in het programma.

De bouwkosten zijn beperkt tot enkel de kosten in de verbindingen (knopen) en de kosten van de hoeveelheid materiaal. Deze kosten zijn bepaald aan de hand van een rekentool verkregen vanuit Bouwen met Staal. De vakwerken bestaan uit de onderdelen bovenrand, onderrand, diagonalen en staanders. De optimalisatie is voor beide liggers gedaan op drie verschillende manieren, namelijk voor staafgroepen, afzonderlijke staven en combinatie staven.
- Staafgroepen: alle staven in elk afzonderlijke vakwerkonderdeel gedimensioneerd op meest ongunstige (veel verbindingen hetzelfde waardoor voordelig in kosten maar overdimensionering is nadelig voor gewicht);
- Afzonderlijke staven: elk staaf afzonderlijk geoptimaliseerd (veel verschillende verbindingen, waardoor kosten oplopen maar uiterst voordelig voor het gewicht);
- Combinatie staven: staven in bovenrand en onderrand gedimensioneerd op meest ongunstige en staven in diagonalen en staanders afzonderlijk gedimensioneerd.

Vervolgens zijn alle geoptimaliseerde ontwerpen met elkaar vergeleken en getoetst aan de criteria kosten, gewicht, toepasbaarheid (uitvoering) en esthetica. Hieruit is voor beide liggers een ontwerp uit geselecteerd dat voldoet aan de gestelde criteria. Vanuit ook het praktisch oogpunt zijn de gekozen ontwerpen het meest optimaal op gewicht en bouwkosten. Dit heeft ook geresulteerd in een overzicht van de kosten en gewicht van de verschillende vakwerken. Er is bewust voor staal gekozen omdat staal het meest voorkomende bouwmateriaal is dat wordt gebruikt bij het ontwerpen van vakwerkconstructies. Het minimaliseren van materiaalgebruik wordt gestimuleerd door gebruik te maken van de tool. Hiermee wordt milieubewust omgegaan bij het gebruik van staal.

Het oordeel van de jury:
Het onderwerp ‘optimaliseren van vakwerken’ is best een gedurfde keuze. Vakwerken worden zo vaak toegepast dat je zou verwachten dat er geen ruimte meer is voor optimalisatie. Er is immers al veel kennis uit praktijkproeven in richtlijnen verwerkt. De afstudeerder laat met dit onderzoek zien dat het ouderwetse rekenwerk zijn langste tijd heeft gehad. Door een rekentool te ontwikkelen, met behulp van onder meer het programma Grasshopper is het mogelijk om heel snel verschillende varianten te berekenen. In een tweetal praktijkprojecten is de rekentool getest en vergeleken met handberekeningen. De uitkomst daarvan levert een mooie gewichtsbesparing op. De jury heeft bewondering voor het niveau van het onderzoek en het helder leesbare, complete rapport. Tijdwinst bij het maken van controleberekeningen biedt meer ruimte voor - het slimmere constructieve ontwerp. Als dit onderdeel wordt van BIM kunnen architecten ook zelfstandiger constructieve optimalisaties vinden of zekerheid ontwikkelen over de constructieve sterkte. ‘Het constructievak gaat hierdoor veranderen, dit is een voorproefje van de toekomst!’, reageert de jury enthousiast.