Afsluiting Rozenoordbrug-Zuid voorkomen door monitoring Inspecties en monitoring spelen belangrijke rol bij instandhouding betonnen kunstwerken 1 Toegepaste reksensor 1 42? CEMENT 1 20 24 We staan in Nederland voor grote uitdagingen ten aanzien van de instandhouding van betonnen kunstwerken. De planbaarheid van met name het onderhoud en de vervanging van kunstwerken is hierbij essentieel, en daar- voor kunnen inspecties en monitoring een belangrijke ondersteunende rol spelen. De Rozenoordbrug-Zuid is daarvan een goed voorbeeld. Beschrijving brug De Rozenoordbrug-Zuid, geopend in 1981, is gesitueerd in Rijksweg A10, op de plaats waar deze de rivier de Amstel kruist (foto 2 en 3). De brug heeft vijf overspanningen met leng- ten tussen de 27,5 m en 67 m (fig. 4). De Rozen - oordbrug-Zuid kan worden gezien als een vijfcellige, voorgespannen betonnen koker- brug (fig. 5). Kokers 1 tot en met 4 bevinden zich onder de rijbaan met vijf rijstroken. Boven de laaggelegen koker 5 bevindt zich een fietspad. De wanden van de kokers 1 tot en met 3 worden gevormd door langsliggers van voorgespannen, ter plaatse gestort, beton. De bovenzijden van deze liggers zijn geïnte- greerd in het betonnen rijdek, dat eveneens ter plaatse is gestort. Aan de onderzijde be- vindt zich, tussen de langsliggers, de vloer van de kokers, bestaande uit geprefabri- ceerde betonplaten. Ter plaatse van ieder tussensteunpunt sluiten de langsliggers van kokers 1 tot en met 3 aan op een voorgespannen betonnen dwarsdrager. Ter plaatse van de steunpun- ten 2 en 3 zijn deze dwarsdragers loodrecht op de lengteas van de brug gepositioneerd en hebben ze een totale lengte van 16,8 m. Ter plaatse van de steunpunten 4 en 5 liggen de dwarsdragers onder een hoek met de lengteas van de brug en hebben ze een lengte van respectievelijk 19,4 en 21,4 m. De dwars- dragers hebben een doorsnedebreedte van 2 m en bevatten in elke koker, aan de boven- zijde, een uitsparing (mangat). Verder wordt elke dwarsdrager ondersteund door twee opleggingen. Deze opleggingen bevinden zich op circa 1 m binnen de buitenste langs- liggers. Aanleiding voor de beoogde afsluiting Eind 2020 werd de toestand van de Rozen- oordbrug-Zuid door Rijkswaterstaat als mo- gelijk kritisch aangemerkt. Dit was gebaseerd op een reeks bevindingen in de periode daarvoor. Allereerst bleek uit een lineair- elastische herberekening van ingenieurs- bureau Wagemaker in 2018, uitgevoerd als voorbereiding op het project Zuidasdok, dat voor enkele constructieonderdelen reken- kundig niet kon worden aangetoond dat ze voldeden. Uit een door Arcadis uitgevoerde herberekening met niet-lineaire eindige- elementenanalyses in 2019/2020 volgde onder andere dat de rekenkundige dwars- krachtsterkte van dwarsdrager 4, tussen de twee grootste overspanningen, onvoldoende was. Deze analyses lieten al rond de In 2020 stond Rijkswaterstaat op het punt om de Rozenoordbrug-Zuid af te sluiten voor verkeer, vanwege de ontdekking van een mogelijk kritische situatie in de dwarsdragers van de brug. Inspecties en monitoring volgden en uiteindelijk ook versterking. Dit alles heeft ertoe bijgedragen dat die afsluiting kon worden voorkomen. CEMENT 1 2024 ?43 gebruiksbelasting de ontwikkeling van diago- nale scheuren zien in de dwarsdrager, wat een inleiding vormde op het bezwijken van de drukdiagonaal in de dwarsdrager. Mede hierom heeft Rijkswaterstaat op 24 april 2020 een inspectie laten uitvoeren. Tijdens deze nulopname zijn scheuren waargenomen die overeenkwamen met de voorspelde scheuren vanuit de niet-lineaire eindige-elementenanalyses, niet alleen in dwarsdrager 4, maar ook in de dwarsdragers 3 en 5 (foto 6). Bij een herhalingsinspectie in november 2020 werden drie nieuwe scheu - ren in dwarsdrager 4 waargenomen, parallel aan een reeds eerder waargenomen diago- nale scheur. Ervan uitgaande dat de drie nieuw waargenomen scheuren in de tijd tussen de twee inspecties waren ontstaan, gaf dat samen met de bevindingen uit de herberekeningen terecht aanleiding tot grote zorg. De situatie werd door Rijkswaterstaat als dusdanig ernstig beoordeeld dat men over- woog om per direct het verkeer van de brug te halen. Voordat men tot deze rigoureuze maatregel overging, werd de situatie voorge- legd aan een adviesteam, met afgevaardigden van Rijkswaterstaat, TNO en Adviesbureau Hageman. De hoofdvraag hierbij was: "Moeten er per direct maatregelen worden getroffen om de veiligheid voor de gebruikers van de brug en de omgeving te waarborgen." Om antwoord te kunnen geven op deze hoofdvraag, zijn de resultaten uit de inspec- ties en uit de niet-lineaire eindige-elementen- analyses, die ten grondslag lagen aan het oordeel van Rijkswaterstaat, geëvalueerd. 2 Bovenzijde Rozenoordbrug-Zuid 3 Onderzijde Rozenoordbrug-Zuid 2 auteurs IR. HUIBERT BORSJE Forensisch Ingenieur TNO DR.IR. ARTHUR SLOBBE Senior Onderzoeker TNO ING. ERIK SLIS Meettechnicus TNO IR. KEES JAN VAN DER WILT Technisch Adviseur Rijkswaterstaat PAUL SCHOUTEN Adviseur Assetmanagement Vaste Kunstwerken WNN Rijkswaterstaat 3 44? CEMENT 1 20 24 Resultaten evaluatie Bij de nulopname in april 2020 zijn in dwarsdrager 4 twee diagonale scheuren waargenomen in de drukdiagonaal, vanuit de oplegging. Aan de westzijde was dit een diagonale scheur met een wijdte van 0,15 mm en een lengte van circa 1,7 m (foto 6). Aan de oostzijde was dit een diagonale scheur met een wijdte van 0,2 mm en een lengte van circa 1,3 m.Het verschil in de scheurlengte is verklaarbaar vanuit de niet-orthogonale kruisingshoek van de dwarsdrager met de lengte-as van de brug. Tijdens de herhalingsinspectie in november 2020 zijn boven de diagonale scheur in de westzijde drie nieuwe scheuren waargenomen. Deze scheuren lagen gedeel- telijk in elkaars verlengde en hadden een wijdte van 0,05 mm, 0,1 mm en 0,15 mm. De reeds aanwezige scheur was niet langer en ook niet wijder geworden. Dit gold ook voor alle andere scheuren in de dwarsdragers. Historie nieuwe scheuren? Bij de evaluatie van de resultaten van de inspectie is gebruik gemaakt van forensic engineering [1]. Dat betekent in deze casus dat er is gezocht naar eventuele historische informatie over de nieuw gerapporteerde scheuren en dat in het werk meer gedetailleerde informatie over deze scheuren is verzameld. De inspecties vonden plaats in de koker van de brug, dus bij kunstlicht, en gezien de geringe scheurwijdten kon niet worden uit- gesloten dat deze nieuw gerapporteerde scheuren bij de nulopname waren gemist. Eerder gemaakte foto's in de brug waren helaas onduidelijk en gaven geen uitsluitsel. Om een goed beeld van de situatie te krijgen, is er een nieuwe inspectie door TNO uitge- voerd, waarbij de nieuw gerapporteerde scheuren in de dwarsdrager in detail zijn beoordeeld. Hierbij is waargenomen dat op het deel van het wandoppervlak ter plaatse van de scheuren spetters betonreparatie- mortel aanwezig waren, afkomstig van 4 Bovenaanzicht brug 5 Doorsnede brug Op basis van analyses bleek de rekenkundige dwarskracht- sterkte in de dwarsdragers onvoldoende 4 5 CEMENT 1 2024 ?45 7 6 6 Zone in westzijde dwarsdrager 4 met diagonale scheuren7 Spetters van mortel op en in de scheur een in het verleden uitgevoerde betonrepa- ratie (foto 7). Eén van die spetters overlapte een nieuw gerapporteerde scheur. Nadere bestudering met een loep liet zien dat de mortel in de scheur gelopen was en dat de mortel zelf niet was gescheurd. Op basis van deze observaties is geconcludeerd dat de betreffende nieuw gerapporteerde scheur reeds aanwezig moet zijn geweest vóór het aanbrengen van de reparatie en dat na het aanbrengen van de reparatie de scheurwijdte zeer waarschijnlijk niet meer is toegenomen. Omdat de spetters betonreparatiemortel op de foto's van de nulopname te zien waren, is vervolgens geconcludeerd dat deze scheur er ook toen al was. Hoewel dit alles slechts kon worden vastgesteld voor één van de drie nieuwe scheuren, betrof het wel de wijdste scheur. Het is daarom aannemelijk dat de twee andere scheuren ook zijn gemist bij de nulopname. Niet-lineaire eindige-elementenanalyses De evaluatie richtte zich verder op de uitge- voerde niet-lineaire eindige-elementenanaly - ses. Deze lieten zien dat het rekenkundig aan te tonen veiligheidsniveau niet voldeed aan het gewenste veiligheidsniveau. Dat betekent dat maatregelen om de constructie te ver - sterken of te vervangen inderdaad noodzake- lijk zijn. De berekening toonde verder aan dat onder de optredende gebruiksbelasting het mortel in de scheur scheur in de wand zone met diagonale scheuren spetters van de reparatiemortel 46? CEMENT 1 20 24 waargenomen scheurenpatroon kan optre- den. Hierbij is van belang dat de verkeers- belasting een beperkte invloed heeft; het aandeel permanente belasting maak t 85% of meer uit van de totale belasting, afhankelijk van welk constructieonderdeel wordt be - schouwd. Bij de waargenomen wijdten van de diag onale scheuren van 0,05 ? 0,2 mm mag worden verondersteld dat de aanwezige wapening in het scheurvlak slechts gedeelte - lijk wordt aangesproken en dat die wapening nog r eserve heeft voor het opnemen van eventuele additionele verkeersbelasting. Waarschuwend vermogen? Op basis van deze evaluatie is geconstateerd dat de dwarsdrager enig waarschuwend vermogen heeft, en dat de scheuren in de dwarsdrager zich naar verwachting eerst verder zullen ontwikkelen, voordat er bezwijken optreedt. Er was daarom geen sprake van een acute situatie, die directe maatregelen vereiste om het gebruik van de brug beperken. Hierbij is wel de voorwaarde gesteld dat de brug gemonitord moest worden, om zo een even- tuele 'waarschuwing' van de brug in de vorm van een toename van de scheurvor- ming tijdig te signaleren. Naar aanleiding van deze bevindingen heeft Rijkswaterstaat besloten om versterkingsmaatregelen aan de Rozenoordbrug-Zuid versneld uit te voeren en de brug in de tussentijd te monitoren. Monitoring en interventie Het doel van de monitoring was het tijdig signaleren van een eventuele toename van de diagonale scheuren in de drukdiagonalen van de dwarsdragers van de brug, tot aan de realisatie van de versterking. Er is direct gestart met een wekelijkse visuele inspectie (die later is omgezet naar een maandelijkse inspectie), waarbij er steeds is gekeken of de aanwezige scheuren wijder en/of langer zijn geworden en of er eventueel nieuwe scheuren waren ontstaan. Verder zijn er over de diagonale scheuren reksensoren gemonteerd (foto 1), waarmee het verloop van de wijdte van de scheuren in de tijd is gemeten. De toegepaste reksensoren zijn opgebouwd uit rekstroken, die zijn aan- gebracht op een relatief slap meetlichaam, dat aan beide zijden van de scheur op het beton is gelijmd. Deze reksensoren hebben een nauwkeurigheid van 2 ?rek (2 · 10 -6) en zijn ingesteld op een meetfrequentie van 10 Hz. Interventiewaarde scheurwijdte? Op basis van de uitgevoerde herberekeningen aan de brug kon niet worden bepaald welke ver- andering van de scheurwijdte in de tijd zou moeten worden gezien als een waarschuwing dat de diagonale scheuren wijder worden (interventiewaarde). Daarom is geprobeerd om de interventiewaarde vast te stellen op basis van metingen over een periode van enkele weken. Omdat de meetfrequentie relatief hoog is, laten die metingen duidelijk de in vloed van het verkeer zien (fig. 8). Ech - ter, naast deze kortdurende verandering van de scheurwijdte is er ook een globale veran - dering van de scheurwijdte in de tijd zicht- baar. Die globale verandering toont zowel een dag -nachtcyclus als een langeduurtrend over meerdere dagen. Laatstgenoemde is toe te schrijven aan de invloed van de tempera - tuur op de wijdte van de scheuren, een effect dat tot dan toe niet was onderkend. Opge - merkt wordt dat hierbij niet zozeer de abso- lute verandering van de buitentemperatuur in de tijd bepalend is, maar de verandering van het verschil in temperaturen tussen de dwarsdragers en de boven-/onderzijde van de koker. De globale temperatuureffecten domineren de gemeten verandering van de wijdte van de scheuren in de tijd en de korte - duurverkeerseffecten zijn duidelijk onderge- schikt. Op basis van deze bevindingen is geconcludeerd dat het afleiden van een in- terventiewaarde voor de verandering van de scheurwijdte in de diagonale scheuren lastig ? zo niet onmogelijk ? is. Interventiewaarde scheurlengte? In plaats van een interventiewaarde op basis van een verandering van de scheurwijdte is besloten tot een interventiewaarde op basis van een verlenging van de scheur. Het is namelijk zeer aannemelijk dat een toename van de wijdte van de diagonale scheuren leidt tot een verlenging van die scheuren. Daarbij werd scheurgroei ontoelaatbaar geacht van- wege het nadelig effect op de dwarskracht- capaciteit. Op basis van forensic engineering is het aannemelijk dat de nieuwe scheuren zijn gemist bij de nulopname CEMENT 1 2024 ?47 Op de zes locaties met diagonale scheuren is eerst met een loep het uiteinde van de scheur die het hoogste doorliep vastgesteld en aangetekend op het betonoppervlak, waarna net na het uiteinde van die scheu- ren een reksensor is geplaatst. Voor het vaststellen van een interventiewaarde zijn de meetwaarden van de zes sensoren aan de uiteinden van de diagonale scheuren geana- lyseerd en bewerkt. Van de gemeten veran- dering van de rek per lengte van de meet- sensor (in het vervolg aangeduid met fictieve scheurwijdte) is het globale, temperatuurs- afhankelijke, effect eruit gefilterd door de moving median van het signaal af te trekken (fig. 8), waardoor de meetwaarden alleen nog maar de korteduurverkeerseffecten beschrijven. Over een meetperiode van drie weken zijn vervolgens per sensor de dage- lijks maximaal en totaal gemeten verande- ring van de fictieve scheurwijdte als gevolg van de verkeersbelasting bepaald (fig. 9). Op basis van deze dagelijks maximaal en totaal gemeten veranderingen van de fictieve scheurwijdte door verkeer, werd een duide- lijk verschil zichtbaar: voor de sensoren die op de scheur zijn geplaatst zijn de waarden significant hoger dan voor de sensoren aan de scheurtip. Wanneer er scheurverlenging optreedt, zal dit dus zichtbaar worden in het niveau van de dagelijks maximaal en totaal gemeten veranderingen van de fictieve scheurwijdte door verkeer. De interventiewaarden zijn vervolgens vastgesteld op (i) een dagelijks maximaal gemeten verandering in de fictieve scheur- wijdte door alleen verkeersbelasting van 3 · 10 -3 mm en (ii) een dagelijks totaal geme- ten verandering van de fictieve scheurwijdte door alleen verkeersbelasting van 4 · 10 -3 mm. Deze interventiewaarden liggen net boven de in de eerste drie weken gemeten waarden. Ze corresponderen met rekwaarden over de sensorlengte van 4,62 · 10 -5 en 6,15 · 10-5. De 8 9 8 Verandering van de scheurwijdte in de tijd, over een meetperiode van een week 9 Bepaling interventiewaarde 48? CEMENT 1 20 24 betonrek waarbij scheuren van het onder- havige beton optreedt, wordt ingeschat op 7,35 · 10 -5, waarmee de aangenomen inter- ventiewaarden dus lager zijn dan de breuk- rek van het beton. Monitoring en procedures Met het vaststellen van de interventiewaar - den wordt een eventuele verslechtering van de situatie g esignaleerd. Echter voor het tijdig signaleren van en reageren op een verslechte - ring is het essentieel om een en ander proce - dureel in te richten. Hiervoor is een draai - boek opgesteld, waarin is vastgelegd wanneer en op welke wijze de dataverwerking plaats - vindt (early warning system) en welke acties door wie worden ondernomen als de inter - ventiewaarden worden overschreden. Het early warning systeem is ingebed in een automatische procedure. De dataver- werking begint bij een meetunit in brug, waar alle meetdata in eerste instantie lokaal wordt opgeslagen. Elke nacht wordt de meet- data van de afgelopen 24 uur via de ether overgehaald naar TNO-servers, waar de data nogmaals wordt opgeslagen. Op een van de rekencomputers wordt vervolgens een taak opgestart, waarbij de data wordt geproces- sed en de interventiewaarde wordt geëvalu- eerd. Het resultaat van deze dagelijkse evaluatie ? het dagrapport ? wordt vervol- gens automatisch per e-mail verzonden naar meerdere TNO-medewerkers, waarin wordt vermeld of er bij één of meerdere van de zes sensoren nabij het uiteinde van de diagonale scheuren al dan niet een inter- ventiewaarde is overschreden. De dagelijkse controle van het dagrapport gedurende de meetperiode wordt verdeeld over meerdere mensen, waarvoor een rooster is opgesteld. Naast deze dagelijkse procedure, is er ook een automatische procedure opgesteld voor het aanleveren van weekrapporten. Het weekrapport bevat een samenvatting van de meetdata en geeft door middel van grafieken inzicht in globale trends. Wanneer uit het dagrapport volgt dat een interventiewaarde is overschreden, analyseert de dienstdoende medewerker van TNO of die overschrijding al dan niet kan worden verklaard door een storing. In- dien dit niet het geval is, en de overschrij- ding van de interventiewaarde zou kunnen duiden op een verlenging van een scheur, neemt TNO contact op met Rijkswaterstaat om een visuele controle van de scheur in de brug in te plannen. De wijze waarop dit plaatsvindt en de bijbehorende vervolgacties, voor TNO en met name Rijkswaterstaat, zijn in detail vastgelegd in het draaiboek. Resultaten van de monitoring De monitoring van de Rozenoordbrug-Zuid heeft goed en stabiel gefunctioneerd. De monitoring is eind 2020 gestart en is continu actief geweest tot voorbij de realisatie van de versterking in april 2022. Over die periode is in totaal 43 keer een interventiewaarde overschreden, circa 10% van het totaal aan- tal meetdagen. Deze overschrijdingen waren meestal het gevolg van een storing in het systeem. Er is geen overschrijding van een interventiewaarde geweest die te relateren viel aan een daadwerkelijke verlenging van een scheur. Dit beeld werd ook bevestigd uit de periodieke visuele inspecties van de dia- gonale scheuren, waarbij geen verlenging van de scheuren noch nieuwe diagonale scheuren zijn waargenomen. Tot slot Dit project heeft aangetoond dat monitoring een belangrijk middel kan zijn voor instand- houding van betonnen kunstwerken en/of om tijd te kopen om benodigde maatregelen planbaar uit te kunnen voeren. Belangrijke voorwaarden zijn dat de constructie een waarschuwend vermogen heeft (oftewel: er moet reactietijd zijn), dat er interventie- waarden kunnen worden vastgesteld, en dat er duidelijke afspraken worden gemaakt in geval van een overschrijding van de inter- ventiewaarden. Daarnaast laat dit project zien hoe essentieel historische informatie over de aanwezige schade is bij het beoorde- len van bestaande constructies, en ? wan- neer die informatie niet direct beschikbaar is ? hoe forensic engineering kan helpen bij het verzamelen van die informatie. In het geval van de Rozenoordbrug-Zuid heeft dat in belangrijke mate bijgedragen aan het voorkomen van een verkeersafsluiting op één van de drukste verkeerswegen van Nederland. LITERATUUR 1?Borsje, H. Terwel, K., Wat is forensic engineering? Cement 2024/1. Om een eventuele toename van de diagonale scheuren in de drukdiagonalen tijdig te signa- leren is de brug gemonitord CEMENT 1 2024 ?49