Beoordeling van bestaande (beton)constructies is op dit moment wereldwijd een zeer belangrijk aandachtsgebied. Op de TU Delft wordt onderzocht wat de mogelijkheden zijn van proefbelasten en akoestische emissie bij die beoordeling. In het kader van dat onderzoek heeft RWS de gelegenheid geboden een proefbelasting uit te voeren op het viaduct Vlijmen-Oost. In dit artikel een eerste indruk van de bevindingen.
40
thema
Proefbelasting
viaduct
Vlijmen-Oost
1
Onderzoek naar beoordelingsmethode voor
bestaande betonconstructies
thema
Proefbelasting viaduct Vlijmen-Oost 5 2014
41
Een groot aantal bruggen en viaducten in Nederland is
gebouwd in de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw.
Deze constructies zijn nu ongeveer vijftig jaar oud en vele
hiervan moeten opnieuw worden beoordeeld. Dit is nodig
vanwege het bereiken van de technische levensduur van de
constructies, maar ook omdat de verkeersbelastingen de afgelo-
pen jaren zijn toegenomen tot een hoger niveau dan waarvoor
de constructies oorspronkelijk zijn ontworpen. De beoordeling
van een betonconstructie kan in de meeste gevallen plaatsvin-
den op basis van een berekening, maar er zijn ook constructies
waarbij dit lastig is. Dat kan bijvoorbeeld zijn omdat de
ontwerpgegevens van de constructie ontbreken of omdat de
constructie is aangetast door alkali-silicareactie (ASR) of chlo-
ride-indringing. De vraag is of de sterkte van een constructie
ook kan worden onderzocht of aangetoond met een proefbelas-
ting. Maar hoe doe je dat op een veilige wijze en welke belas-
ting moet je aanbrengen om conclusies ten aanzien van het
veilig gebruik van de constructie te kunnen trekken? Bij de
leerstoel Betonconstructies van de TU Delft is dit onderwerp van onderzoek. Een van de technieken die daarbij wordt
ingezet, is het meten van akoestische emissie. Eenvoudig
gezegd komt het erop neer dat tijdens het belasten wordt
meegeluisterd. Het onderzoek is onderdeel van het project
'Smart Proof Loading' van het STW-Programma IS2C,
waar ook de onderzoeken PAT-ASR (ASR-onderzoek) en
INFRAWATCH (monitoring van constructies) onder vallen.
Om het proefbelasten in de praktijk te kunnen onderzoeken,
heeft RWS de mogelijkheid geboden een experiment uit te
voeren bij het viaduct Vlijmen-Oost. De proefbelasting is in
november 2013 uitgevoerd. Er is voor dit viaduct gekozen
omdat het is aangetast door ASR. De proefbelasting geeft dan
ook gelijk belangrijke informatie die kan worden gebruikt voor
de beoordeling van deze constructie.
Het viaduct wordt in de huidige staat gebruikt als enkelbaans
oprit van de A59 vanuit het dorp Vlijmen in de richting van
Den Bosch (foto 2 en fig. 3). Dit is echter niet meer dezelfde
indeling als in het originele ontwerp van 1960. Het ging toen
om twee rijstroken op basis van verkeersklasse B (VOSB1938).
Het viaduct is namelijk vanwege ASR-aantasting (foto 4) ook al
beoordeeld in 1997. Als gevolg van die beoordeling is destijds
de rijstrookindeling aangepast en is een monitoringssysteem
(vervorming, temperatuur en vochtigheid) aangebracht. Ten
tijde van het schrijven van dit artikel zijn nog niet alle meetre-
sultaten verwerkt. Bij de beoordeling van het viaduct zal naast
het resultaat van de proefbelasting, ook alle eerder verkregen
informatie worden meegenomen.
Proefbelasting
Een proefbelasting voor het testen van een constructie moet
groot genoeg zijn om aan te tonen dat de capaciteit van de
Beoordeling van bestaande (beton)constructies is
op dit moment wereldwijd een zeer belangrijk
aandachtsgebied. Op de TU Delft wordt onderzocht
wat de mogelijkheden zijn van proefbelasten en
akoestische emissie bij die beoordeling. In het kader
van dat onderzoek heeft RWS de gelegenheid
geboden een proefbelasting uit te voeren op het
viaduct Vlijmen-Oost. In dit artikel een eerste indruk
van de bevindingen.
2
dr.ir. Sonja Fennis, ir. Patrick van
Hemert, prof.dr.ir. Dick Hordijk
TU Delft, fac. CiTG
dr.ir. Ane de Boer
RWS GPO
westelijke vluchtstrook
rijstrook
oostelijke vluchtstrook
overspanning proefbelasting
's-Hertogenbosch
2
2
3
3
4
4
5
5
1
1
A
A
Geertruidenberg snelweg A59
N
3
1 Aanbrengen van de proefbelasting met Belastungsfahrzeug BELFA
2 Viaduct Vlijmen-Oost, gezien vanaf de A59 richting Den Bosch
foto: Ane de Boer3 Overzicht viaduct Vlijmen-Oost, waarvan de meest zuidelijke overspanning
tussen stramien 1 en 2 is beproefd
Proefbelasting viaduct Vlijmen-Oost 5 2014
42
een 2½D-schaalmodel in het eindige-elementenprogramma
DIANA [5]. Met behulp van deze berekeningen en verschil-
lende capaciteitscontroles zijn de locaties en de belastingen
bepaald om de verschillende bezwijkmechanismen als buiging
en dwarskracht te kunnen onderzoeken. Er zijn drie verschil-
lende belastingsconfiguraties uitgevoerd (fig. 6). In dit artikel is
de belasting voor het controleren van de momentcapaciteit
(proef 1) beschreven.
Het vooraf vastleggen van de maximaal aan te brengen belas-
ting tijdens de proef is niet voldoende om het volledige proces
van proefbelasten gecontroleerd uit te voeren en eventuele
beschadiging van de constructie te voorkomen. Om dat wel te
bereiken, wordt tijdens het uitvoeren van de proefbelasting
constructie voldoende is om nog een aantal jaren te worden
gebruikt. De grootte van de aan te brengen belasting in relatie
tot de te trekken conclusies is nog onderwerp van studie. Daar
-
naast mag het aanbrengen van de belasting niet leiden tot onge-
wenste beschadiging van de constructie [1, 2]. Om die reden is
het belangrijk het belastingsproces zo goed mogelijk te kunnen
sturen.
Voor het viaduct Vlijmen-Oost is ervoor gekozen gebruik te
maken van de BELFA (Belastungsfahrzeug) [3] (foto 1). Deze
Duitse vrachtauto, die speciaal door de Duitse overheid voor
het uitvoeren van proefbelastingen is vervaardigd, kan op een
gecontroleerde manier een belasting van maximaal 900 kN of
meer (door waterbassins te vullen) aanbrengen. Dit gebeurt
met behulp van vijzels die zodanig kunnen worden geplaatst
dat ze een wielprint volgens het belastingsmodel 1 uit NEN-EN
1991-2: 2011 [4] simuleren (foto 5 en fig. 6, proef 1 en 2). Om
een hogere belasting te kunnen aanbrengen, is een mobiele
kraan van 472 kN gebruikt die naast de BELFA is geplaatst.
Omdat er een aanvullende eis was het verkeer tijdens de proef-
belasting gewoon te laten doorgaan, is de BELFA aangebracht
op de westelijke vluchtstrook en de kraan is geplaatst op de
rijstrook in het midden. Zo kon het verkeer doorrijden op de
oostelijke vluchtstrook.
Hoewel een proefbelasting voor de toekomst wordt gezien als
een mogelijk alternatief voor het grondig doorrekenen van
constructies (vooral voor kleinere bruggen en viaducten), blijft
het belangrijk via een berekening vooraf een idee te krijgen van
de capaciteit van de constructie. In de onderhavige situatie was
het daarbij ook nodig aan te tonen dat de capaciteit van de brug
voldoende was om de BELFA achteruit op de constructie te
laten rijden. De constructie is daartoe vooraf doorgerekend met
thema
4
5
thema
Proefbelasting viaduct Vlijmen-Oost 5 2014
43
komt er energie vrij. Dit resulteert in trillingen die aan het beton-
oppervlak met de sensoren worden geregistreerd. Maar ook bij
het belasten en ontlasten zal wrijving in bestaande scheuren
kunnen resulteren in trillingen. Primair is het de bedoeling met
de akoestische emissiesensoren te registreren waar er 'iets in de
constructie gebeurt'. Bij de beoordeling van de resultaten wordt
veelal gebruikgemaakt van de theorie dat beschadiging (scheur-
vorming) wordt gecreëerd indien de constructie verder wordt
belast dan de belasting die de constructie eerder al heeft onder -
gaan ('Kaiser-effect'). Bij composietmaterialen als beton zal ook
bij een lager belastingsniveau dan het al eerder bereikte
maximum, akoestische emissie (wrijving in scheuren) worden
geproduceerd. Om die reden worden er ook trillingen geregis-
treerd bij lagere belastingen, waardoor het Kaiser-effect niet
altijd even duidelijk waarneembaar is.
gecontroleerd of er veranderingen zijn in de stijfheid van de
constructie, toenemende vervormingen bij gelijkblijvende
belasting of blijvende vervormingen na het wederom ontlasten
[2, 6]. Om dit gedrag te registreren en, indien nodig, de proef
tijdig te kunnen stoppen, wordt de belasting niet in één keer
aangebracht maar in een aantal stappen van belasten en ontlas-
ten. De wijze waarop de belasting in proef 1 is aangebracht, is
weergegeven in figuur 7. Tijdens dit proces is het viaduct
nauwlettend gevolgd met de aangebrachte sensoren (foto 8).
Meettechniek
De sensoren zijn voorafgaand aan de proefbelasting aange-
bracht aan de onderzijde van het viaduct. Deze sensoren zijn
gebruikt voor het meten van de doorbuiging van het viaduct,
de hoekverdraaiing bij de opleggingen, scheurwijdten en de rek
van het beton. Tevens zijn akoestische emissiesensoren aange-
bracht om te luisteren naar de constructie.
Met behulp van de doorbuigingen en hoekverdraaiing kan
gedurende de proef worden gecontroleerd in welke mate het
vervormingsgedrag niet-lineair is. Bij een constructie in
gescheurde toestand zou een niet-lineair verloop een eerste
indicatie kunnen zijn voor het vloeien van de wapening. Bij het
belasten op buigend moment bij proef 1 kon de vervorming
goed worden gemonitord door de combinatie van lasers (verti-
cale vervormingen), scheurwijdteopnemers en het in stappen
aanbrengen van de belasting.
Een techniek die in het Stevinlaboratorium van de TU Delft
wordt onderzocht in het kader van proefbelasting is het meten
met behulp van akoestische emissiesensoren. Als beton scheurt,
2 1
BELFA
kraan
afstempeling BELFA
N
wieltype: 200x300 mm
6286
proef 1
2000
500
1200
rijstrook voor doorgaand
verkeer tijdens de proef
proef 2
3886 1200
proef 3
1050
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
tijd [s ]
belasting [kN]
6
7
8
6 Locatie van de BELFA op de westelijke vluchtstrook
en de kraan op de middelste rijstrook
7 Stapsgewijs belastingsproces van proef 1
8 Verschillende meetsensoren aan de onderzijde van het viaduct
4
Verticale en horizontale scheurvorming door ASR aan de westzijde
van het viaduct
foto: Ane de Boer5 Door middel van vijzels wordt met de BELFA tijdens de proefbelas-
ting een wielprint gesimuleerd
Proefbelasting viaduct Vlijmen-Oost 5 2014
44
lustreerd in figuur 10 door middel van het last-verplaatsings-
diagram van een van de lasers tijdens proef 1. De gepresen-
teerde vervormingen zijn die van laser 4 die zich bevond aan de
onderzijde van het viaduct, vrijwel in het midden van de over-
spanning (centrum van de wielprinten). De verschillende
belastingsstappen laten steeds dezelfde vervorming zien bij
hetzelfde belastingsniveau en er is geen blijvende vervorming
zichtbaar na het uitvoeren van elke belastingsstap. De gemeten
scheurwijdten hadden net als de verticale vervormingen een
lineair verband met de belasting tot en met de hoogste belas-
tingsstap van 900 kN door de BELFA. De maximale verticale
verplaatsing door de belasting van zowel de kraan als de BELFA
was 2,2 mm. De maximaal bijkomende scheurwijdte door deze
belasting was 0,01 mm.
Resultaten akoestische emissiemetingen
Met de akoestische emissiemetingen wordt zeer veel informatie
verkregen. Vooraf kan een grenswaarde worden ingesteld voor
het geluidsniveau (dB) van een trilling. Als deze grenswaarde
wordt overschreden, wordt gesproken van een hit. Elke hit
bevat vervolgens ook weer informatie zoals de maximale
amplitude in dB. In dit artikel worden slechts enkele resultaten
getoond. Hierbij is alleen gekeken naar het aantal hits tegen de
tijd voor enkele sensoren. Het was vooral duidelijk zichtbaar
dat er meer interne trillingen werden geregistreerd in de buurt
van de belastingszones. In figuur 11 zijn de hits als functie van
de tijd weergegeven voor een aantal sensoren rond de belas-
tingslocatie. Het betreft de belastingsstap waarbij met de
BELFA een belasting van 900 kN werd aangebracht, nadat er in
de voorafgaande belastingsstap tot 800 kN was belast. Hoewel
er tot een belasting van 800 kN ook al hits werden geregistreerd
die waarschijnlijk te maken hebben met wrijving in scheuren,
bleken voornamelijk in het traject van 800 kN naar 900 kN veel
hits op te treden. Het betreft vooralsnog slechts een voorbeeld
van de akoestische emissiemetingen.
Zowel de vervormingsmetingen als de akoestische emissieme-
tingen hebben laten zien dat het gedrag van het viaduct zeer
nauwkeurig is te volgen. Zo bleken passerende vrachtauto's in
beide metingen zeer goed waarneembaar te zijn.
Conclusies en aanbevelingen
Proefbelasten is naar verwachting een goede methode om
inzicht te verkrijgen in het gedrag en de capaciteit van beton-
nen viaducten en bruggen. De TU Delft onderzoekt deze tech-
niek die vooral voor kleinere betonconstructies kansrijk lijkt te
zijn. Met de proefbelasting op het viaduct Vlijmen-Oost is een
goede pilot uitgevoerd waarmee de kennis en het inzicht
betreffende deze techniek is vergroot. Het proefbelasten zal
Resultaten vervormingsmetingen
De tijdens de proef gemeten doorbuigingen zijn vergeleken met
de resultaten van berekeningen met het eindige-elementenmo-
del. Daaruit volgde dat de constructie stijver reageerde dan in
eerste instantie werd verwacht. Vanwege de uitgebreide scheur -
vorming door ASR was de constructie in 1997 al doorgerekend
met een elasticiteitsmodulus van 10 000 N/mm
2 [7]. In figuur 9
is de doorbuiging over de lengte van de belaste overspanning
weergegeven tijdens proef 1. De gemeten doorbuiging ter
plaatse van de belasting is ongeveer een factor 2 kleiner dan de
berekende doorbuiging. Er moet daarbij wel worden vermeld
dat er niet is gecompenseerd voor de verticale verplaatsingen
nabij de opleggingen die mogelijk zijn ontstaan door het
indrukken van de opleggingen. Ter vergelijking is ook het
resultaat van een berekening met een elasticiteitsmodulus van
30 000 N/mm
2 in figuur 9 weergegeven. Ten opzichte van dat
resultaat reageerde de constructie wel iets slapper.
De vervormingsmetingen tijdens de proeven lieten duidelijk
zien dat het viaduct zich lineair-elastisch gedroeg tijdens elke
belastingsstap van de proefbelasting. Deze resultaten zijn geïl-
56 58 60 62 64 66 68 70 5
4, 5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
locaties van de lasers [m]
doorbuiging [mm]
proefbelasting viaductEEM, E = 30 000 N/mm 2
EEM, E = 10 000 N/mm 2
locatie van de belasting tussensteunpunt
eindsteunpunt
Page 1
0
0 12
0,5 1,5 2,5
100
verplaatsing laser 4 [mm]
kraan
belasting BELFA [kN]200 300 400 500 600 700 800 900
1000
9
10
9
Gemeten en berekende doorbuiging van proef 1; de zes lasers zijn midden
onder de BELFA (westelijke vluchtstrook) geplaatst en meten het doorbui-
gingsprofiel over de lengterichting van de zuidelijke overspanning
10 Last-verplaatsingsdiagram van proef 1 voor laser 4
11 Akoestische emissieregistraties van de sensoren in de buurt van de belastings-
zone tijdens de belastingsstap van 900 kN van proef 1
thema
Proefbelasting viaduct Vlijmen-Oost 5 2014
45
? LITERATUUR
1 Walraven, J.C., Boer, A. de, Dieteren, G., Proefbelasten van betonnen
bruggen. TU Delft Stevinrapport 25.4-12-09, 2013.
2 Walraven, J., Boer, A. de, Dieteren, G., Proefbelasten bruggen. Cement
2012/4.
3 http://www.hs-bremen.de/internet/de/forschung/transfer/einrichtun-
gen/belfa/funktionsweise
4 NEN-EN 1991-2: 2011, Eurocode 1: Belastingen op constructies ? Deel
2: Verkeersbelasting op bruggen.
5 DIANA Users Manual rel. 9.4.4, www.tnodiana.com.
6 Deutscher Ausschuss für Stahlbeton ? DafStb Richtlinie ? Belastungs-
versuche an Betonbauwerken, september 2000.
7 Siemens, A.J.M., Vervuurt, A.H.J.M., Wubs, A.J., Dwarskrachtonderzoek
aan het rijdek van een viaduct waarin schade door ASR aanwezig is;
project A59; viaduct Vlijmen-Oost. TNO rapport 97-CON-R0740, 1997.
8 Uijl, J.A. den, Restdraagvermogen na ASR-aantasting. TU Delft,
Faculteit CiTG, Stevinrapport 25.5.99-4, april 2000.
9 Lantsoght, E.O.L., Shear in Reinforced Concrete Slabs under
Concentrated Loads close to Supports. TU Delft, proefschrift, 2013.
10 Amir, S., Compressive Membrane Action in Prestressed Concrete Deck
Slabs. TU Delft, proefschrift, 2014.
11 Yang, Y., Shear behaviour of Reinforced Concrete Members without
Shear Reinforcement, A New Look at an Old Problem. TU Delft, proef-
schrift, 2014.
vergezeld moeten gaan van een inschatting van de capaciteit
vooraf en vervormingsmetingen tijdens het belasten. Bij het
stapsgewijs verhogen van de belasting, waarbij na elke belas-
tingsstap wordt ontlast, wordt voornamelijk gekeken of de
constructie zich lineair-elastisch gedraagt. Door de belastings-
proef te combineren met akoestische emissiemetingen kan nog
meer inzicht worden verkregen. We spreken wel van 'Smart
proof loading'.
Het blijkt dat constructies vaak meer capaciteit hebben dan
alleen op basis van de berekening wordt verwacht. Dit bleek al
eerder tijdens experimenteel dwarskrachtonderzoek waarin de
capaciteit van nieuwe en oude balken uit een ASR-aangetast
viaduct met elkaar werden vergeleken [8]. Ook recent kwam dit
naar voren uit onderzoek naar de restcapaciteit van construc-
ties uitgevoerd aan de TU Delft in opdracht van Rijkswaterstaat
[9, 10, 11]. Tijdens de praktijkproef in Vlijmen bleek ook dat de
reacties van de constructie als geheel beter waren dan vooraf
was verwacht op basis van de berekeningen en de analyse van
de scheurvorming en vervormingen door de ASR-aantasting.
Het gedrag van de constructie was onder de aangebrachte
belasting volledig lineair-elastisch en de vervormingen waren
klein. De resultaten waren positief en hebben het verantwoord
huidig gebruik van het viaduct aangetoond.
?
Dankwoord
Dank aan de technici van het Stevin II laboratorium van de TU Delft
voor het uitvoeren van de metingen en dank aan Johan de Boon,
student TU Delft, voor de eindige-elementenberekeningen.
4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 0
3
6
9
12
15
tijd [s]
hits [-]
0
200
400
600
800
1000
belasting [kN]
5
4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 0
3
6
9
12
15
tijd [s]
hits [-]
0
200
400
600
800
1000
belasting [kN]
6
4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 0
3
6
9
12
15
tijd [s]
hits [-]
0
200
400
600
800
1000
belasting [kN]
7
4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 0
3
6
9
12
15
tijd [s]
hits [-]
0
200
400
600
800
1000
belasting [kN]
8
4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 0
6
9
12
15
tijd [s]
hits [-]
0
200
400
600
800
1000
belasting [kN]
4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 0
3
6
9
12
tijd [s]
hits [-] 200
400 600 800
belasting [kN]
15
0
1000
9
5 6 7
8 9 10
11
AE6
AE7 AE15
AE16
AE9A
E12
AE13
AE3
AE5 AE8 AE11 AE14
AE10
Proefbelasting viaduct Vlijmen-Oost 5 2014
Reacties