58 Proefbelasten van viaducten Proefbelasten om de constructieve veiligheid van bruggen en viaducten aan te tonen, lijkt in sommige gevallen goed te concur- reren met het herberekenen ervan. Proefbelasten biedt een aantal aantrekkelijke voordelen, maar is niet eenvoudig. Als pilot voor het verder ontwikkelen van de techniek van proefbelasten is in mei 2014 de Halvemaansbrug in Alkmaar belast [1]. 1 Pilot toont mogelijk alternatief voor aantonen constructieve veiligheid Proefbelasten van viaducten 5 2015 59 1 Proefbelasting op de Halvemaansbrug in Alkmaar 2 De brug dateert uit 1939 Meer en meer is er de noodzaak om de aanwezige capaciteit van bestaande betonnen bruggen en viaducten in Nederland te beoordelen. Veel van die bruggen en viaducten zijn gebouwd in de jaren dertig. Deze bruggen zijn nog ontworpen op klasse 30, 45 of 60. Tegenwoordig is sprake van hogere verkeersbelastin- gen. Ook waargenomen degradatie, onduidelijkheid over de aanwezige wapening of andere inzichten in toegepaste bereke- ningsmodellen kunnen ten grondslag liggen aan de wens een constructie te beoordelen. Een beoordeling van een bestaande constructie gebeurt veelal door het uitvoeren van (her)bereke- ningen. Dit kunnen eenvoudige berekeningen zijn, maar ook geavanceerde berekeningen met zogenoemde eindige-elementen- pakketten. Daarvoor is het nodig de eigenschappen van de constructie te kennen, zoals betondruksterkte en plaats en kwaliteit van de toegepaste wapening. Deze gegevens zijn niet altijd zonder meer beschikbaar. Als alternatief kan voor proefbelasten worden gekozen. De gedachte bij proefbelasten is om zonder of slechts met zeer beperkte informatie of onderzoek vooraf, het bewijs van voldoende sterkte te leveren door te laten zien dat de constructie een belasting kan dragen. In het ideale geval kan de inspanning worden beperkt tot het één nacht afsluiten van de weg en op de brug aanbrengen van de belasting. Voordeel van deze methode is dat er geen conservatieve aannamen worden gebruikt, waardoor alle werkelijke sterkte van een brug wordt benut. Op een gecon- troleerde manier wordt niet meer belasting op de brug gezet dan echt noodzakelijk. Komt men er met eenvoudige berekeningen niet uit dan biedt proefbelasten bij de wat kleinere bruggen en viaducten al snel soelaas. De proef is qua kosten concurrerend. Tegelijkertijd is proefbelasten ook weer niet eenvoudig. Welke belasting moet worden aangebracht om een uitspraak te kunnen doen over de constructieve veiligheid in het gebruik? Bezwijken is onwenselijk, maar is enige beschadiging tijdens het proefbelas- ten acceptabel, en zo ja, hoeveel? En op welke wijze kan de proef veilig worden uitgevoerd? In dit artikel wordt verslag gedaan van een proefbelasting op de Halvemaansbrug te Alkmaar (foto 1). Deze is in opdracht van de provincie Noord-Holland uitgevoerd door Ooms Construc- tie BV in samenwerking met de TU Delft, TNO en Mammoet [1]. Het betrof een pilot om de methode van proefbelasten nader te onderzoeken. Uit eenvoudige herberekeningen die in opdracht van provincie Noord-Holland in 2012 zijn uitgevoerd, kwam naar voren dat de betreffende brug op buiging niet voldeed aan het verbouwcriterium volgens NEN 8700 [2]. De brug voldeed wel met betrekking tot dwarskracht. Om die reden is bij de proefbelasting op de Halvemaansbrug het mechanisme buigend moment onderzocht. Halvemaansbrug De Halvemaansbrug (foto 2) dateert uit 1939. De breedte van het kanaal ter plaatse van de brug is circa 7 m. De brug is een scheef kunstwerk met een kruisingshoek van ongeveer 68°. De overspanning is circa 8 m, gemeten in de overspanningsrich- ting evenwijdig aan de rijrichting. De opleggingen bestaan uit gemetselde kademuren en het betreft een plaatbrug met versterkte randstroken. De dikte van het dek is 450 mm en de randstroken hebben een dikte van 590 mm. Grootte van de belasting NEN 8700 [2] (bijlage E.8) geeft aan dat een proefbelasting mag worden uitgevoerd voor het beoordelen van een construc- tiedeel. Het ligt voor de hand de proefbelasting te baseren op de belastingen zoals opgenomen in NEN 8701 [3]. Deze zijn echter gebaseerd op overspanningen groter dan 20 m. Tevens zijn deze bedoeld voor rekenexercities en niet voor proefbelas- ten. Het vermoeden bestaat dat de benodigde proefbelasting voor typisch provinciale kunstwerken kleiner is vanwege de veelal kleine overspanning. TNO heeft onderzocht welke belasting op de Halvemaansbrug moet worden aangebracht om aan te tonen dat aan het verbouw- niveau (CC2) conform NEN 8700 wordt voldaan [4]. Er zijn vijf zaken die bij proefbelasten op korte overspanningen anders zijn dan gebruikelijk tijdens het rekenen met belastingen: 1. In geval van een proefbelasting is de brug deterministisch belast door het eigen gewicht, zodat daarover geen onzeker - heid is. Voor de permanente belasting wordt er voor deze dr.ir. Paul Waarts Provincie Noord-Holland prof.dr.ir. Dick Hordijk TU Delft / Adviesbureau ir. J.G. Hageman B.V. dr.ir. Sonja Fennis TU Delft prof.dr.ir. Raphaël Steenbergen TNO / UGent 2 Proefbelasten van viaducten 5 2015 60 4,452,0 M [kNm] 100150 200250300 350 400 F [M] 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 emperische verdelingsfunctiemultimodale normale verdeling 3 Cumulatieve verdelingsfunctie van dagmaxima (moment vs. overschrijdingskans) 4 Locatie proefbelasting (rode lijnen is plaats van de lijnlasten) 5 Principe dat is toegepast om de belasting aan te brengen Er is een correctie aangebracht vanwege het verschil tussen de 51 500 vrachtvoertuigen per jaar op de onderhavige locatie en de 2,5 ? 10 6 vrachtvoertuigen per jaar op RW16. Modelonzekerheden, dynamische vergrotingseffecten en trends voor de toekomst zijn meegenomen in de belasting. Uiteinde- lijk leidde dit tot een niveau-II / niveau-III probabilistische som voor het bepalen van de ontwerpverkeersbelasting. De uitkomst van de probabilistische som is dat een buigend moment van 340 kNm/m nodig is voor het aantonen van de constructieve veiligheid met betrekking tot het buigende moment op verbouwniveau conform NEN 8700 [2]. Dit is ongeveer gelijk aan hetgeen volgens NEN 8700 in rekening zou worden gebracht. Voor de duidelijkheid: het fenomeen proef- belasten in plaats van rekenen (punt 2) zorgt ervoor dat de proefbelasting hoger is dan volgens NEN 8700. De zaken met betrekking tot rekenonnauwkeurigheid (punt 3) en kortere overspanning (punt 4) leiden ertoe dat de proefbelasting 4% lager wordt dan de (reken)belasting uit NEN 8700. Wijze van proefbelasten Uitgaande van een belasting volgens de norm (tandemstelsel met vier wielprinten), zou ervoor kunnen worden gekozen de belasting op vier punten aan te brengen. Voor deze proefbelas- ting is ervoor gekozen met een belasting over twee lijnlasten hetzelfde belastingeffect te creëren. Er moest op de Halve- maansbrug een totale belasting van 900 kN (90 ton) worden aangebracht om het door TNO bepaalde buigend moment te bereiken en daarmee aan te tonen dat de brug voor het mecha- nisme buigend moment voldoet aan het verbouwniveau conform NEN 8700. brug van uitgegaan dat dit in de toekomst niet zal wijzigen. Hierdoor zal de bijdrage van de permanente belasting aan de faalkans nul zijn en behoeft deze niet te worden meegenomen in de aan te brengen proefbelasting. 2. Het zal duidelijk zijn dat als de brug tot het uiterste zou worden belast, er ook geen onzekerheid meer is over de sterkte. In een probabilistische beschouwing (de basis van onze normen) komt dan alle onzekerheid aan de belasting- kant te liggen. Er is immers geen kans meer dat de brug sterker is dan gedacht, zodat alleen de kans overblijft dat de belasting hoger is dan gedacht. Dit maakt dat de belasting- factor tijdens proefbelasten hoger is dan tijdens rekenen. Anders geformuleerd, voor de belastingen en de modellering S wordt de invloedsfactor ? S meestal gelijk genomen aan 0,7 (ISO 2394 [5] en NEN-EN 1990 [6]). In het geval van een proefbelasting zouden we ? S moeten verhogen van 0,7 naar 1,0, als de sterkte R exact bekend is. Echter bij proefbelasting weten we alleen dat de werkelijke sterkte groter is dan de aangebrachte belasting. Dit leidt tot een aanpassing van de waarde voor ? S. Voor het onderzoek is een waarde aangehou- den van ? S = 0,8. De betrouwbaarheidsindex van de belasting en modellering wordt dan ? S ? ? = 0,8 ? 3,1 = 2,5 voor verbouw. Als referentieperiode gaan we uit van vijftien jaar (NEN 8700 [2]). 3. De zogenoemde modelfactor [7] die de onzekerheid van berekeningen verdisconteert in de belastingfactor, zal kleiner zijn dan gebruikelijk. Er wordt immers met proefbelasten in mindere mate gerekend aan deze brug, zodat er ook weinig rekenonnauwkeurigheden kunnen optreden. 4. De Eurocode voor brugbelastingen is gekalibreerd voor bruggen met overspanningen groter dan 20 m [8]. In het onderhavige geval ? een brug met overspanning van circa 8 m ? kan de te gebruiken belasting lager zijn [9]. 5. Op deze brug komen slechts 51 500 vrachtvoertuigen per jaar voor, in plaats van de normaal gebruikelijke 2,5 ? 10 6 per jaar. In lijn met de wijze waarop de belastingsmodellen van de Euro- code zijn vastgesteld, is op basis van verkeersstroomsimulaties (gebaseerd op metingen op de RW16 [7]) het belastingmodel voor de onderhavige brug bepaald. Voor de gemeten voertuig- karakteristieken is een reeks van voertuigen gegenereerd met random gekozen voertuigtypen, gewichten, tussenafstanden en snelheden, die vervolgens over de brug is gevoerd. Voor elk tijdstip is het buigend moment in het midden van de overspan- ning bepaald, waarmee het maximum buigend moment in een bepaalde periode kon worden bepaald. In figuur 3 is de complementaire cumulatieve verdelingsfunctie voor de dagmaxima op basis van de voertuigkarakteristieken van RW16 weergegeven. De rode punten geven de empirische verdelingsfunctie weer. Op de empirische verdelingsfunctie is een analytische verdelingsfunctie gefit (de blauwe lijn in fig. 3). 3 Proefbelasten van viaducten 5 2015 61 4,45 2,0 In de avond van 21 mei 2014 is de proefbelasting uitgevoerd. Om dit op een veilige en gecontroleerde wijze te kunnen doen, is boven de Halvemaansbrug een stalen opvangconstructie geplaatst die op de landhoofden is opgelegd (fig. 4). Op deze opvangconstructie zijn stalen contragewichten van mobiele kranen (4,0 × 1,8 m 2 met een gewicht van 12,5 ton per stuk) gelegd. Op die manier kon de aan te brengen belasting boven de brug worden aangebracht zonder deze te belasten. Om vervolgens de belasting daadwerkelijk op de brug aan te brengen, zijn vier vijzels gebruikt. De vijzels zijn gepositioneerd tussen de stapel contragewichten en de brug (fig. 5), waarbij met de stalen lastspreidingsplaten twee lijnlasten zijn gecre- e erd. Met het uitsturen van de vijzels kon de belasting gecon- troleerd (stapsgewijs) worden overgenomen door de brug. Door de vijzels weer terug te sturen, kon de brug worden ontlast en droeg de opvangconstructie weer een groter deel van de belasting. Op deze wijze kon de brug nooit ongecontroleerd bezwijken. Als de brug snel meer zou doorbuigen, zou de belasting op de brug wegvallen en deze weer op de opvang- constructie komen te rusten. Tijdens het proces van belasten zijn de opvangconstructie en de opleggingen op de landhoofden nauwkeurig gemonitord. In foto 6a en 6b is de situatie te zien waarin twee contragewichten op de opvangconstructie waren geplaatst. Het plaatsen van de opvangconstructie nam circa drie uur in beslag. Onder de brug zijn diverse metingen uitgevoerd, waarbij gebruik is gemaakt van een ponton voor de bereikbaarheid. Er is gecontroleerd belast door het stapsgewijs aanbrengen van de contragewichten en het met de vijzels overnemen van de proefbelasting van de opvangconstructie op het brugdek. Na 4 Situatie I Contragewichten op opvangconstructie: brug onbelast Situatie II Contragewichten los van opvangconstructie: brug belast 5 contragewichten doorsnede A opvangconstructie landhoofd landhoofd A brug A contragewichten doorsnede A opvangconstructie landhoofd landhoofd A brug A Proefbelasten van viaducten 5 2015 62 is met behulp van de techniek van akoestische emissie (AE) geluisterd naar de constructie (foto 9b). De TU onderzoekt of deze techniek kan worden gebruikt om in een vroeg stadium van belasten al uitspraken te kunnen doen over de sterkte. Resultaten Tijdens het belasten van de brug is het gedrag real time gevolgd. Gedurende uitvoering van belastingcycli is gekeken naar de mate waarin niet-lineair gedrag was waar te nemen en er na ontlasten sprake was van blijvende vervorming. Dat zijn ook criteria die waren aangegeven in een Duitse richtlijn uit 2000 voor proefbelasten [10]. Hoewel de daarin aangegeven criteria voor bepaalde metingen bij de brug uiteindelijk net iets werden overschreden, werd het verantwoord gevonden om door te belasten en een belasting van 900 kN (90 ton) aan te iedere belastingstap is de belasting gedurende minimaal twee minuten constant gehouden. De totale proefbelasting heeft ongeveer drie uur in beslag genomen, waarbij verschillende belastingstappen zijn uitgevoerd en een maximale belasting van 900 kN (90 ton) is aangebracht (fig. 7). Metingen Voor de toekomst van proefbelasten is het wenselijk met mini- male inspanning en dus weinig metingen te komen tot uitspra- ken over de draagkracht van de brug. In de periode van het ontwikkelen van de techniek en bij de onderhavige pilot, is juist veel gemeten (foto 8). Een houten frame was gemaakt om de doorbuiging van de brug te kunnen meten met verplaatsings- opnemers (laser opnemers) en over bestaande scheuren waren verplaatsingsopnemers (LVDT's) geplaatst (foto 9a). Daarnaast 6b 6b 7 contragewichten vijzels opvangconstructie Proefbelasten van viaducten 5 2015 1000900 800 700 600 500 400 300 200 100 00 5000 1000015000 tijd [sec] belasting [kN] 63 6 Twee contragewichten zijn geplaatst op de opvangconstructie (a), waarna ze omhoog werden gevijzeld voor het belasten van de brug (b) 7 Verloop van de belasting als functie van tijd brengen. De absolute waarden van zowel de (blijvende) door - buiging als de scheurwijdtetoename waren daarbij nog zeer klein. In figuur 10 is te zien dat bij een belasting van circa 620 kN het last-verplaatsingsverloop niet-lineair werd en dat na belasten tot 900 kN na ontlasten de blijvende doorbuiging circa 0,18 mm was. In figuur 11 is de doorbuiging van de brug voor verschillende belastingniveaus weergegeven. Daarin is ook te zien dat na een belastingcyclus de vervorming was toegeno- men. De grootste toename in scheuropening trad in dwarsrich- ting op en bleek 0,03 mm te zijn en de blijvende bijkomende scheurwijdte was kleiner dan 0,001 mm. Op basis van de metingen kon worden vastgesteld dat in beperkte mate herverdeling is opgetreden door het ontstaan van een nieuwe langsscheur. Die heeft met name de verticale verplaatsingsmetingen en de scheurvervorming over de langs- scheuren beïnvloed. Voor het totale gedrag van de brug kon worden vastgesteld dat tot belasting van 900 kN, niet-lineair gedrag binnen acceptabele grenzen is gebleven. Met een inspectie van de brug na de proefbelasting is vastgesteld dat de toename van de scheurvorming door proefbelasting zeer beperkt is geweest en geen enkel effect heeft op de duurzaam- heid van de brug. Duidelijk was dat de brug de proefbelasting makkelijk kon dragen. Hoe sterk de brug werkelijk is, weten we niet. Wel is duidelijk geworden dat de brug sterker is dan wat eenvoudige lineaire berekeningen lieten zien en met de proefbelasting is aangetoond dat de brug voldoet aan de constructieve veilig- heidseisen conform NEN 8700 [2]. 8 Diverse metingen zijn uitgevoerd onder de brug 9 Lasermeting voor doorbuiging en verplaatsingsmeter over bestaande scheur (a) en sensor voor akoestische emissiemeting (b) 8 9a 9b Proefbelasten van viaducten 5 2015 64 10 Last-verplaatsing ter plaatse van het midden van de randstrook 11 Doorbuiging van de brug voor verschillende belastingniveaus ? LITERATUUR 1 Fennis, S.A.A.M., Hordijk, D.A., Proefbelasting Halvemaansbrug Alkmaar. TU Delft, Stevinrapport 25.5-14-05, 19 december 2014. 2 NEN 8700: 2011 Beoordeling van de constructieve veiligheid van een bestaand bouwwerk bij verbouw en afkeuren ? Grondslagen. 3 NEN 8701: 2011 Beoordeling van de constructieve veiligheid een bestaand bouwwerk bij verbouwen en afkeuren ? Belastingen. 4 Steenbergen, R.D.J.M., Miraglia, S., Ontwerpverkeersbelasting voor het proefbelasten van een brug met één overspanning van 7 m. TNO Rapport 2014. 5 ISO 2394: 1998 General principles on reliability for structures. 6 NEN-EN 1990: 2002 Eurocode - Grondslagen van het constructief ontwerp. 7 Steenbergen, R.D.J.M., Morales Napoles, O., Vrouwenvelder, A.C.W.M., Algemene veiligheidsbeschouwing en modellering van wegverkeerbelasting voor brugconstructies. TNO-rapport TNO-060-DTM-2011-03695-1814 (update van TNO Rapport 98-CON-R1813), 17 juli 2012. 8 Vrouwenvelder, A.C.W.M., Waarts, P.H., De Wit, S., Algemene veilig- heidsbeschouwing en modellering van wegverkeersbelasting voor brugconstructies. TNO rapport 98-CON-R1813, 15 maart 2000. 9 Probabilistic Model Code, Report JCSS-OSTL/DIA/VROU. Joint Committee on Structural Safety (JCSS), 12th draft, 10 november 2000. 10 Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, DafStb Richtlinie ? Belastungs- versuche an Betonbauwerken, september 2000. Conclusie Aan de TU Delft wordt gewerkt aan het opzetten van een protocol voor het beoordelen van kleinere bruggen door middel van proefbelasten. Met de proefbelasting op de Halve- maansbrug is ervaring opgedaan voor het proefbelasten en is waardevolle informatie verzameld voor verder uitwerken van het beproevingsprotocol. Daarnaast kon met de proefbelasting worden aangetoond dat de Halvemaansbrug voldoet aan het verbouwniveau (CC2) conform NEN 8700. ? 10 11 Proefbelasten van viaducten 5 2015 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 129 375 509 624 751 856 902 744 902 [kN] locatie lasers [m] verplaatsing [mm] 0 2 468 1000900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 verplaatsing [mm] belasting [kN] 0 0,2 0,40,6 0,8 1,01,21,41,6 laser 01 LVDT01AE02 AE09 AE14 AE12 AE08 AE05 AE11 AE13 AE10 AE07 AE01 AE03AE06 AE02 AE04 LVDT02 laser03 laser02 laser01 LVDT03 LVDT04