themaBewegingen in brugopleggingen4201334themaBewegingen inbrugopleggingenBrugopleggingen brengen krachten over van debovenbouw naar de onderbouw van een brug enstaan de bovenbouw toe te verplaatsen en teroteren. De krachten, verplaatsingen en rotaties,hoofdzakelijk veroorzaakt door verkeers- en tempe-ratuurbelastingen, zorgen voor diverse slijtagepro-cessen van de oplegging. Een belangrijke indicatievoor die slijtage is volgens de Europese norm de`slijtweg'. Om meer inzicht te krijgen in deze slijtwegzijn de brugopleggingen van de westbrug over deDintelhaven (foto 1) nader onderzocht. Dit is aller-eerst gedaan met behulp van een eindige-elemen-tenmodel [2]. In aansluiting hierop zijn gedurendeeen jaar metingen uitgevoerd.1Slijtweg van opleggingen Dintelhavenbrug berekend en gemetenBewegingen in brugopleggingen 42013 35Huidige en ook nieuwe materialen van brugopleggingenworden onderworpen aan typetests, conform de Europesenorm NEN-EN 1337 [1]. Het betreft tests waarin sinusvor-mige, blokvormige of constante krachten op een proefstukworden uitgeoefend, dat gelijktijdig sinusvorige of blokvor-mige verplaatsingen of rotaties met constante amplitude teverwerken krijgt. De komende jaren worden alle delen van[1] herzien en herschreven. Samen met het feit dat opleggin-gen tegenwoordig vaak sneller dan verwacht moeten wordengerenoveerd of vervangen (foto 2), gaf dit aanleiding de para-meters uit de tests kritisch te bekijken. Speciale aandachtgaat hierbij uit naar de zogenoemde slijtweg, een sommatievan de horizontale verplaatsingen die een oplegging teverwerken krijgt tijdens haar levensduur.Als een proefstuk de genoemde test doorstaat, kan wordenverondersteld dat een oplegging van hetzelfde materiaalgeschikt is om de optredende horizontale verplaatsingen(slijtweg) gedurende haar levensduur te verwerken. Als doorbelastingen en verplaatsingen brugopleggingen ? ondankseen `geslaagde' test ? toch beschadigen binnen een kortereperiode dan de levensduur van de brugconstructie, kan datbetekenen dat de uitgangspunten in de tests van [1] mogelijkmoeten worden herzien. Met het onderzoek dat in dit artikelwordt beschreven, is geprobeerd meer informatie en inzichtte verkrijgen in deze uitgangspunten. Dit is gedaan door debelastings- en bewegingsgeschiedenis van een bestaandebrug in kaart te brengen. In dit geval de Dintelhavenbrug. Deanalyses en metingen van de bestaande brug kunnen inverband worden gebracht met de tests. Dit kan leiden totaanpassingen in de testprocedures met duurzamere opleggin-gen als eindresultaat.DintelhavenbrugIn het Rotterdamse havengebied zijn in de A15 tweeverkeersbruggen aangelegd over de toeloop naar de Dintel-haven, de Dintelhavenbruggen. Voor dit onderzoek is alleende westbrug beschouwd, een voorgespannen, betonnenuitbouwbrug, hoofdoverspanning van 184,95 m en zijover-spanningen van 86,5 m. De doorsnede van de brug bestaatuit een eencellige koker, waarvan de hoogte en vloerdiktevariabel zijn. De ontwerpsterkteklasse is B 85, wapenings-staal FeB 500 en voorspankabels FeP 1860.De opleggingen van de Dintelhavenbrug zijn potopleggingen(tussensteunpunt 2 en 3) (foto 2) en bolsegmentopleggingen(steunpunten 1 en 4, landhoofd). Elke oplegging heeft haareigen vrijheidsgraden (fig. 3). Indien een oplegging horizon-tale verplaatsing toestaat, is deze voorzien van een horizon-taal glijdelement (gesmeerde PTFE glijdplaat tegen roestvaststaal).ir. Martijn de BoerRoyal HaskoningDHVir. Niels Kostense, ir. Cor Kuilboer,dr.ing. Johan LeendertzRijkswaterstaatIABSE-congres 2013Dit artikel is gebaseerd op de paper`Translationsin bridge bearings due to traffic and temperatureloads based on a finite element analysis andmeasurements'van het IABSE-congres 2013 dat inmei in Rotterdam plaatsvond.21 De Dintelhavenbrug, Rotterdam2 Potopleggingen; een van de tweetoegepaste typen opleggingen vande westbrug over de DintelhaventhemaBewegingen in brugopleggingen4201336w2a w3a w4aw1aw1b w2b w3b w4bsteunpunt 1 steunpunt 2 steunpunt 3steunpunt 486,5 m 184,95 m 86,5 m00,511,522,533,540 5 10 15 20 25 30 35slijtweg[mm]tijd [s]volgafstand 30 m volgafstand 80 m volgafstand 130 m volgafstand 180 mvolgafstand 230 m volgafstand 280 m volgafstand 330 m volgafstand 370 m3 Vrijheidsgraden van de brugopleggingen4 Ontwikkeling van de slijtweg in langsrichting voor oplegging w3bWanneer elke vrachtwagen de brug afzonderlijk zou passeren,wordt een bovengrens van de slijtweg gevonden van 17 km/jaarvoor oplegging w3a en 9,3 km/jaar voor oplegging w4a. Gecon-cludeerd kan worden dat zowel het aantal vrachtwagens als devolgafstanden een grote invloed hebben op de slijtweg.De hiervoor genoemde waarden zijn bepaald voor wrijvings-loze opleggingen. Wanneer wrijving in de oplegging in reke-ning wordt gebracht, valt te verwachten dat een groot deel vande verplaatsingen niet meer zullen optreden. Om die reden isgeprobeerd wrijving in rekening te brengen. Hierbij is uitge-gaan van een maximaal opneembare wrijvingskracht vanFw= ? N = 1063 kN, met een wrijvingsco?ffici?nt ? = 0,030.Deze is gebaseerd op de verticale reactiekracht N ten gevolgevan eigen gewicht en rustende belasting in steunpunt 3 uit deontwerpberekening. Horizontale krachten veroorzaakt door elkafzonderlijk vrachtwagentype zijn bepaald, voor een situatiewaarin elke oplegging vast is. Op deze wijze is de situatie gesi-muleerd waarbij elke oplegging zo'n grote wrijvingscapaciteitheeft, dat er geen verplaatsingen zullen optreden. De dwang-krachten (of externe horizontale krachten) veroorzaakt doorelke afzonderlijke vrachtwagen en de maximale wrijvingscapa-citeit van oplegging w3a zijn samen weergegeven in figuur 5.Eindige-elementenmodelModel DintelhavenbrugVan de Dintelhavenbrug is een eindige-elementenmodelgemaakt, waarbij aangenomen is dat de brugconstructie onge-scheurd is en zich lineair-elastisch gedraagt. De voorspankabelsen het wapeningsstaal zijn niet in het model opgenomen. Deoplegpunten in de brug zijn gemodelleerd als vier oneindigstijve elementen, rondom een knoop die representatief is voorhet hart van de bovenzijde van de oplegging. Aan deze knoopis een oneindig stijf staafelement bevestigd, met als functiedirect resultaten te kunnen opvragen met betrekking totverplaatsingen, rotaties en oplegreacties. Initieel is veronder-steld dat de opleggingen wrijvingsloos kunnen transleren enroteren.VerkeersbelastingenAls verkeersbelasting is voor de berekening gebruikgemaaktvan een verkeersbelastingsmodel dat representatief is voor hetverkeer in Nederland. Dit verkeersbelastingsmodel is gebaseerdop de Eurocode voor verkeersbelastingen (NEN-EN 1991-2),aangepast op basis van verkeersmetingen op de A16 nabijMoerdijk en bestaat uit twaalf typen vrachtwagens. Reactie-krachten, verplaatsingen en rotaties in de opleggingen veroor-zaakt door ??n bepaald vrachtwagentype, zijn bepaald op basisvan invloedslijnen behorende bij een eenheidsaslast. Vervol-gens is de invloed van verschillende constante volgafstanden(30 m, 40 m, 50 m, ..., 370 m) tussen vrachtwagens op de slijt-weg onderzocht. In figuur 4 is de slijtweg uitgezet, veroorzaaktdoor twee vrachtwagens van het type V11-75%, waarbij devolgafstand varieert van 30 m tot 370 m. In het laatste gevalrijdt de tweede vrachtwagen de brug op als de eerste eraf rijdt,wat uiteraard resulteert in de grootst mogelijke slijtweg dietwee vrachtwagens samen kunnen veroorzaken, in dit geval3,7 mm. De kleinste slijtweg van 1,57 mm wordt gevondenvoor een constante volgafstand tussen twee opeenvolgendevrachtwagens van 130 m. Dat betekent een reductie van 57,5%.Achtereenvolgens zijn situaties beschouwd waarin respectieve-lijk drie, vier en vijf vrachtwagens (van hetzelfde type) de brugpasseren, waarbij de grootste reductie zelfs 69% bedroeg. Dereductie is groter wanneer meer vrachtwagens tegelijkertijd debrug passeren.Tabel 1 Slijtweg als gevolg van dagelijkse temperatuurwisseling (wrijvingsloze oplegging)opleggingDxTmax[mm]DxTmin[mm]slijtweg [mm]1 dag 1 jaarw1a 0,22 -0,116 0,67 245w3a 4,06 -2,08 12,29 4486w4b 3,85 -1,97 11,62 424134Bewegingen in brugopleggingen 42013 37-2000-1500-1000-500050010001500-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400dwangkracht[kN]positie op de brug [m]v11-75% Fxv11-25% Fxv12-75% Fxv12-25% FxT1102-75% FxT1102-25% FxT1103-75% FxT1103-25% FxV12A12-75% FxV12A12-25% FxT12O3A2-75% FxT12O3A2-25% Fxwrijvingskracht (+)wrijvingskracht (-)5 Dwangkrachten en wrijvingskrachten van oplegging w3a6 Sensoren van het monitoringsysteemfoto: Vienna Consulting Engineers / mageba SAValidatie met een 84-ton mobiele kraanNa het aanbrengen van de sensoren zijn testmetingen uitge-voerd met een Liebherr 7-assige 84-ton mobiele kraan [5].Deze tests zijn quasi-statisch, waarbij de kraan stopte bovenhet midden van de drie overspanningen. De gegenereerde datain combinatie met berekende waarden zijn gebruikt om hetmeetsysteem te valideren. De tests vonden plaats op zaterdag26 november 2011, bij een temperatuur van circa 9 ?C, eenbewolkte hemel en een matige wind. Gedurende de test was debrug afgesloten voor al het overige verkeer. Om de meetgege-vens direct te kunnen bekijken en de kwaliteit van de data tekunnen beoordelen, is de meetopstelling aangesloten op eennotebook direct naast de brug. Op die manier was het mogelijkom tegelijkertijd het passerende testvoertuig en de bijbeho-rende meetgegevens te observeren. Figuur 7 laat de metingenvan de verplaatsingen van opleggingen zien (DIS) en de uitbui-ging van de pijler en brug (IN), die optraden tijdens het uitvoe-ren van de quasi-statische test. Verticaal staan de meetresulta-ten en horizontaal is de tijdas in seconden.Op deze wijze is direct zichtbaar dat de meeste, opgewektehorizontale dwangkrachten niet groot genoeg zijn om de maxi-male wrijvingscapaciteit van oplegging w3a te overschrijden.Alleen de twee zwaarste vrachtwagens (met een totaal gewichtvan 660 kN en 890 kN) veroorzaken verplaatsingen.TemperatuurbelastingEen andere belasting die in rekening wordt gebracht, is de ther-mische belasting als gevolg van dagelijkse temperatuurwisse-ling. Deze dagelijkse temperatuurwisseling is gebaseerd op deEurocode, NEN-EN 1991-1-5 [3] en de bijbehorende nationalebijlage [4]. De maximale en minimale, dagelijkse temperatuuraan de bovenzijde van het brugdek zijn respectievelijk +6 ?C en-3,8 ?C, met een lineair verloop over de hoogte van hetbrugdek. Beide extreme temperaturen geven extreme verplaat-singen in de oplegging. Tweemaal het interval tussen dezeextremen is de slijtweg (tabel 1) van een oplegging op ??n dagveroorzaakt door theoretische, dagelijkse temperatuurwisse-ling. In de praktijk zal de dagelijkse temperatuurwisseling nietelke dag zo extreem zijn, waardoor de slijtweg in werkelijkheidnaar verwachting lager is.MetingenPermanent monitoringsysteemOm een beter inzicht te krijgen in de werkelijke krachten,verplaatsingen en rotaties van de opleggingen als gevolg vantemperatuur- en verkeersbelasting, zijn ook metingen uitge-voerd. Daartoe is de Dintelhavenbrug uitgerust met een perma-nent monitoringsysteem (foto 6). De diverse sensoren in hetsysteem meten de luchttemperatuur buiten en in de brug,constructietemperatuur, zonnestraling, verplaatsing van opleg-ging w3a en w4b, uitbuiging van de pijler, doorbuiging van hetbrugdek en de rek in boven- en onderflens nabij het middenvan de hoofdoverspanning.Voor een periode van een jaar zijn metingen uitgevoerd enopgeslagen met een zeer hoge meetfrequentie (100 Hz). Ditgeeft de mogelijkheid om vrij nauwkeurig verplaatsingen vanopleggingen te meten met zeer kleine tijdsintervallen, in ditgeval temperatuur en verkeer samen. Daarnaast zijn metingenuitgevoerd met een lage meetfrequentie (0,0033 Hz), waarmeealleen data worden verkregen veroorzaakt door temperatuur.Deze laatste worden naar een webinterface verzonden waar zekunnen worden bekeken en geanalyseerd. Als aanvullinghierop is een camera ge?nstalleerd voor livebeelden van hetverkeer op de brug en het nemen van foto's van het verkeerindien verplaatsingen groter dan 0,6 mm optreden.56themaBewegingen in brugopleggingen42013385000-5001050-5-10200voertuig rijdt brug opvoertuig stopt opzijoverspanningvoertuigpasseertpijler voertuig stoptnabij middenvoertuig verlaat de brugDIS_w3aDIS_w4bIN_deck4IN_deck3IN_pier3tijd [s]250 300 350 400 450 500 55015879a 9b0510152025303500,020,040,060,080,10,120,140,160 5 10 15 20 25temperatuur[?C]verplaatsingen[m]tijd [dagen]verplaatsing w3averplaatsing w4btemp. binnen [?C]temp. buiten [?C]00,050,10,150,20,250,30,350 5 10 15 20 25cumulatieveverplaatsing[m]tijd [dagen]w3aw4b0246810121416180 5 10 15 20 25w3aw4bcumulatieveverplaatsing[m]tijd [dagen]uitbuiging[10^-3?]verplaatsing[?m]7 Meetresultaten 84-ton mobiele kraan8 Luchttemperatuur en verplaatsingen van opleggingen gedurende vier wekenin augustus9 Hoge (a) en lage (b) meetfrequentie meetresultatenZoals al eerder genoemd, zijn data opgeslagen met een hoge enlage meetfrequentie. Wanneer de cumulatieve verplaatsing isbepaald met een lage meetfrequentie, betekent dat niets andersdan dat alleen de temperatuur bijdraagt aan de slijtweg. Decumulatieve verplaatsing die volgt uit de hoge meetfrequentiebevat alle verplaatsingen veroorzaakt door zowel temperatuurals verkeer. Figuur 9 geeft de cumulatieve verplaatsing van deopleggingen w3a en w4b respectievelijk met en zonder deinvloed van verkeersbelasting.De rode gebieden in de grafiek geven de perioden aan waarinde kraan heeft stilgestaan op de brug. Tevens is te zien dat deopleggingen na het optreden van verplaatsing, niet terugkerenin de beginpositie. Dit kan worden toegerekend aan de wrij-vingsweerstand in de opleggingen. De maximale verplaatsingin de opleggingen is circa 0,5 mm. Nadat de mobiele kraan debrug had verlaten, volgde een kleiner voertuig met een lageremassa. Dit resulteerde in significant kleinere verplaatsingenvan oplegging w4b en helemaal geen verplaatsing van opleg-ging w3a. Dit gedrag kan ook worden toegeschreven aan wrij-vingsweerstand in de glijdelementen. Indien de verplaatsingenvan de opleggingen die optraden in de quasi-statische testworden vergeleken met de test waarbij de kraan zonder testoppen over de brug is gereden, blijkt dat de verplaatsingenvan de quasi-statische test significant hoger zijn.Verplaatsingen van de opleggingenOm inzicht te geven in het verplaatsingsgedrag van de opleg-gingen, zijn de meetresultaten onder normale belastingscondi-ties (het werkelijke verkeer) over een aaneengesloten periodevan vier weken geanalyseerd. Figuur 8 laat de verplaatsingenvan oplegging w3a en w4b zien in combinatie met de tempera-tuur binnen en buiten de brug. De verplaatsingen zijn relatieften opzichte van de initi?le verplaatsingen op het moment dathet monitoringsysteem is ge?nstalleerd. Uit de figuur komt ergduidelijk naar voren, dat de verplaatsingen nauwkeurig hetverloop van de luchttemperatuur in de brug volgen.Bewegingen in brugopleggingen 42013 391010 Onderzijde Dintelhavenbrugfoto: https://beeldbank.rws.nl, RijkswaterstaatConclusies en aanbevelingenDe berekende waarden uit het eindige-elementenmodel vanverplaatsingen van de opleggingen veroorzaakt door temperatuurkomen zeer goed overeen met de gemeten waarden. In het gevalvan verkeersbelasting geeft het eindige-elementenmodel veelgrotere waarden voor de slijtweg van de opleggingen in vergelij-king met de metingen. Door wrijving en werkelijke verkeers-stroom (afstanden tussen voertuigen, aantal voertuigen op debrug) en flexibiliteit van de onderbouw, worden in de praktijk veellagere slijtwegen gemeten. In de toekomst zal meer onderzoeknodig zijn naar de minimale verplaatsingen en snelheden waarbo-ven slijtage optreedt, om een nog verdere reductie van de gemetenslijtweg te bepalen. Pas wanneer inzicht is verkregen in dit feno-meen evenals het effect van de stijfheid van de onderbouw,kunnen de resultaten van dit onderzoek en vervolgonderzoekenleiden tot aanpassingen in de tests van NEN-EN 1337. Literatuur1 NEN-EN 1337-2:2004, Structural bearings ? Part 2: Sliding elements.2 Boer, M., de, Mechanical behaviour of bridge bearings of the Dintel-harbourbridge, MSc Thesis Delft University of Technology, Delft, 2011.3 NEN-EN 1991-1-5:2003, Eurocode 1: Actions on structures ? Part 1-5:General actions ? Thermal actions.4 NEN-EN 1991-1-5:2003/NB:2009, Ontw: National Annex of Eurocode1: Actions on structures ? Part 1-5: General actions ? Thermal actions.5 Load Tests: Behaviour of Spherical and Pot-bearings, Results of tests inNovember 2011(report no. 11/2327-01), Vienna Consulting Engineers,Mageba SA, Dintelhavenbrug ? westbrug, Vienna, 2012.Wanneer alleen de invloed van temperatuur wordt beschouwd,wordt een cumulatieve verplaatsing van oplegging w3a en w4bgemeten van ongeveer 300 mm in een tijdsbestek van 29 dagen.Dat betekent 3,8 m/jaar (w3a) en 4,1 m/jaar (w4b). Dit is nage-noeg gelijk aan de gevonden waarden met het eindige-elemen-tenmodel (tabel 1). De verplaatsingen veroorzaakt door eencombinatie van verkeers- en temperatuurbelasting geven eenslijtweg in 29 dagen van respectievelijk 2 m voor oplegging w3aen 17 m voor oplegging w4b. In de grafieken is zowel deafname van de verkeersintensiteit waar te nemen gedurende deweekenden als de dag/nachtinvloed. Uit de grafieken blijkttevens dat de slijtweg veroorzaakt door verkeer sterk domineertin vergelijking met temperatuur.Overgangsgrens voor de bijdrage aan slijtageZeer kleine verplaatsingen of onderlinge snelheden tussen hetstaaloppervlak en de PTFE laag in de oplegging, zullen nietbijdragen aan slijtage. Echter, er is geen inzicht in de kwantita-tieve grenswaarde van vervormingen en verplaatsingen waar-boven slijtage zal optreden.Op basis van de meetgegevens van ??n dag is een schattinggemaakt van de reductie van de slijtweg, wanneer een over-gangsgrens voor de bijdrage aan slijtage wordt gehanteerd.Wanneer bijvoorbeeld een overgangsgrens van 0,1 mm wordttoegepast, wat betekent dat alle verplaatsingen van 0,1 mm ofkleiner worden genegeerd, geeft dat een reductie van de slijt-weg van 50% voor oplegging w3a.