themaProefbelasten bruggen4201282themaProefbelastenbruggenHet proefbelasten van bruggen is een methode om te bepalen of de constructie derekenkundige belasting kan dragen. Dit is van belang voor oudere constructieswaarvan de draagkracht onbekend is, of die inmiddels aan een grotere belastingworden onderworpen dan waarvoor zij oorspronkelijk zijn ontworpen. Proefbelastenmag echter niet leiden tot irreversibele beschadiging van de constructie waardoor defunctionaliteit en de veiligheid nadien wordt be?nvloed. In dit artikel worden enkeleprincipes van proefbelasten behandeld.1Interessante verificatiemethode voor bestaande betonnen bruggenProefbelasten bruggen 42012 83belastingresponsgebruikslastgeval 1 geval 2experimentberekeningRu,effFlim,extFlimFdoel,extFdoel,extFdoelG1Gd,j+QdG1Qd-1000100200300400500600[kN]enz.Proefbelasten is een techniek die in een groot aantal landen aljarenlang tot de alledaagse praktijk behoort. Het kan wordenuitgevoerd om vast te stellen dat een nieuwe constructie geenonverwachte mankementen bezit. Proefbelasten kan ook zinvolzijn als een constructie wordt gebouwd uit een constructiefmateriaal waarmee we weinig ervaring hebben. In Delft werdbijvoorbeeld onlangs een proefbelasting uitgevoerd op nieuwebalkons uit ultra-hogesterktebeton. Hiermee werd het laatsterestje twijfel over de constructieve veiligheid en bruikbaarheidvan deze nieuwe technologie weggenomen [1]. Proefbelasten isechter ook een bijzonder interessante verificatiemethode voorbestaande bruggen waarvan het draagvermogen ter discussiestaat.Elders in deze uitgave is aangegeven dat constructies vaakverborgen draagreserves bezitten en hoe deze in een aantalgevallen kunnen worden gekwantificeerd. Door proefbelastenkan empirisch worden vastgesteld of het werkelijke draag-vermogen van een bestaande constructie groot genoeg is om debeoogde belasting te dragen. De grootste uitdaging hierbij isom aan de ene kant aan te tonen dat de bezwijkveiligheid(juist) voldoende is om de constructie nog een aantal jaren tekunnen gebruiken, en aan de andere kant ervoor te zorgen dathet proefbelasten niet leidt tot ongewenste beschadiging van deconstructie. Hiervoor zijn heldere uitgangspunten nodig.In het verleden werd proefbelasten soms op een zeer primitievemanier uitgevoerd. Voor het belasten werden oude tanks uithet leger gebruikt of werden stalen vaten op de brug geplaatstdie met water uit de rivier eronder werden gevuld. Tegenwoor-dig zijn er meer geavanceerde technieken zoals het gebruik vande speciaal voor proefbelasten vervaardigde Duitse vracht-wagen Belfa (Belastungsfahrzeug). Hiermee kunnen bruggenmet kleine overspanningen effici?nt worden belast. In Neder-land is dit voertuig tot nu toe tweemaal ingezet (in Aduard(metselwerkbrug) en in Medemblik (betondek)). Op initiatiefvan de provinciale waterstaat Noord-Holland werd in 2009 inHaarlem, in aansluiting op de in Medemblik opgedane ervarin-gen, een kennisoverdrachtsessie gehouden om deze techniek bijbeheerders van bruggen onder de aandacht te brengen.Veiligheidsconcept bij proefbelastenDe te volgen strategie bij het proefbelasten wordt uiteengezet inhet in figuur 2 weergegeven diagram. De constructie met eenvooraf zo goed mogelijk rekenkundig bepaald effectief draag-vermogen Ru,effwordt beproefd met een extra aangebrachtebelasting. Dit nadat voorafgaand de actuele toestand is beoor-deeld, waarbij de afmetingen worden vastgesteld (inclusief dedikte van de slijtlaag), de betonsterkte wordt gemeten en even-tuele gebreken worden ge?nventariseerd en beoordeeld. Heteffect van deze belasting wordt gemeten: doorbuiging, hoek-verdraaiing, scheurwijdten, rekken in beton en staal, akoesti-sche emissie (zie verderop). Aan het begin van de test zijn depermanente belastingen G1al in hun werkelijke grootte aanwe-zig. Gedurende de test wordt een extra externe belasting Fdoel,extop de constructie aangebracht. Fdoel,extbestaat uit de reken-waarde van een eventueel later aan te brengen extra perma-nente belasting Gdien de rekenkundige verkeersbelasting Qd(zie bijlage E8 van NEN 8700). Een belangrijk criterium bij hetproefbelasten is de limietwaarde Flim. Deze waarde van debelasting geeft de grens aan waarbij ongewenste beschadigingvan de constructie wordt verwacht. Deze grenswaarde, die laterin dit artikel wordt gespecificeerd, mag dus niet worden over-schreden. Er zijn nu twee mogelijkheden. In het eerste gevalwordt de waarde van Fdoel,extbereikt v??rdat de limietwaarde Flimwordt overschreden. In dit geval is door het proefbelastenaangetoond dat de constructie voor het dragen van de reken-kundige belasting geschikt is. In het tweede geval wordt degrenswaarde Flimbereikt voordat de belasting Fdoel,extvolledig opde constructie kon worden aangebracht. Het proefbelastenprof.dr.ir.Dr.-ing. h.c.Joost WalravenTU Delft, fac. CiTGdr.ir. Ane de BoerRijkswaterstaatir. Gerrie DieterenTNO1 Speciaal voor het proefbelasten van bruggen ontwikkeldewagen Belfa (Belastungsfahrzeug)foto: Wuy Ling / www.concrete-listening.nl2 Strategie bij het proefbelasten van een constructie [3]3 Voorbeeld van de belastingprocedure [4]23themaProefbelasten bruggen4201284M MSLWP P F F FM MSLWP P F F F509 1178 10 12ca. 15030zijde 2454 Belasting volgens norm (links) en vervangende proefbelasting (rechts)5 Voorbeeld resultaten akoestische emissie bij proef in TU lab tijdens ??n belas-tingstap op zes balklocaties [5]1.Voor de rek in het beton moet gelden:c c,lim- c0waarin:c= de tijdens het proefbelasten gemeten betonrek;c,lim= grenswaarde betonrek = 0,9fck/Ecwaarin fck= karakteristieke betondruksterkte enEc= elasticiteitsmodulus van beton (zonder lange-duureffect);c0= de rekenkundig bepaalde korteduurrek van het betonten gevolge van de v??r het proefbelasten aanwezigepermanente belasting.2.Voor de rek in het wapeningsstaal moet algemeen gelden:s2 0,7fym/ Es- s02Als geen nauwkeurige --relatie voor het toegepaste beton-staal bekend is, kan worden uitgegaan van:s2 0,9f0,2/ Es- s02waarin:fym= gemiddelde vloeispanning betonstaal aan trekzijdeconstructie;f0,2= gemiddelde waarde van de sterkte bepaald als functievan de 0,2%-rekgrens (elasticiteitsgrens);Es= elasticiteitsmodulus betonstaal;s2= gemeten ofwel uit de meetwaarden afgeleide beton-staalrek in een scheur gedurende het proefbelasten;s02= rekenkundig in de gescheurde toestand bepaalde rekin het wapeningstaal ten gevolge van de v??r hetbelasten aanwezige permanente belasting.3.De scheurwijdte gedurende het proefbelasten moet bepaaldewaarden niet overschrijden:? bestaande scheuren: w 0,3 mm;? nieuwe scheuren: w 0,5 mm.moet dan worden afgebroken. Vanuit de aangebrachte belastingkan wel de daarbij toelaatbare gebruiksbelasting wordenbepaald.Limietwaarde van de belastingZoals eerder is aangegeven, wordt de limietwaarde zodanigbepaald dat nog juist geen beschadiging van dien aard optreedtdat mag worden verwacht dat het draagvermogen en degebruiksvriendelijkheid in het komende gebruiksstadium nega-tief worden be?nvloed. Om dit te bereiken, worden eerst detijdens het proefbelasten maximaal toelaatbare rekken in betonen staal gedefinieerd. Als redelijk uitgangspunt kunnen devolgende waarden worden gebruikt [3]. Voor Nederland zijnnog geen aan te houden grenswaarden vastgesteld.Proefbelasten bruggen 42012 8566 Testen met akoestische emissiefoto: Wuy Ling / www.concrete-listening.nlBij een proefbelasting ter verificatie van berekeningsaannamenmoet de belastingopzet in overeenstemming zijn met de in deberekening als uitgangspunt gekozen belasting. Om de sterktevan een constructie aan te tonen, moeten in het algemeenverschillende lastposities worden getest om zodoende allemaatgevende mechanismen te onderzoeken.Bij een belasting tot aan de doelbelasting moet de proef-belasting in een aantal stappen worden aangebracht, waarbij demaximale belasting in elke stap minstens twee minuten aanwe-zig blijft. Door per belastingstap de belasting driemaal aan tebrengen (fig. 3), kan worden onderzocht of het constructie-gedrag bij hetzelfde belastingniveau verandert. De belangrijksteaandachtspunten hierbij zijn:? verandering in stijfheid;? toenemende vervorming onder gelijkblijvende belasting;? blijvende vervorming na ontlasten;? toenemende energiedissipatie (oppervlak van de hysteresis-lus).Bovenstaande gedragsaspecten zijn indicatoren die aangeven ofer irreversibele schade ontstaat in de constructie. Indien dit hetgeval is, moet de proefbelasting worden gestopt. Door na het4.Wat betreft de doorbuiging tijdens het proefbelasten geldt hetvolgende:In de gescheurde toestand mag geen duidelijke toename van hetniet-lineaire vervormingsaandeel optreden. Voor gebieden diekritisch zijn met betrekking tot bezwijken op dwarskracht kunneneventueel nog aanvullende eisen benodigd zijn. Dit geldt metname voor bruggen waar geen dwarskrachtwapening in deconstructie aanwezig is. Dit heeft te maken met het mogelijkbrossere bezwijkkarakter bij afschuiving. De techniek van akoes-tische emissie kan mogelijk in de toekomst worden gebruikt omeen op handen zijnde afschuifbreuk beter te onderkennen.BelastingprocedureOp basis van de beschikbare documentatie en onderzoeks-gegevens moet het benodigde draagvermogen van de construc-tie voor het actuele of het veranderde gebruik rekenkundigworden geanalyseerd, en wel op basis van veiligheidsfactorenvoor belasting en weerstand.De belastingopzet moet zo worden gekozen dat zowel de last-verdeling als de belastinggrootte, evenals de vervormingen, inde gespecificeerde gebruiksperiode in de meest ongunstigerealistische combinatie optreden.Proefbelasten bruggen4201286thema7scheuren ontstaan bij de eerste belastingstap. Bij herhaling vande belasting neemt bij enkele kanalen de activiteit af, hetgeenerop kan duiden dat er bij gelijke belasting geen verdere schadeontstaat.Voor het verder ontwikkelen van deze methode wordt momen-teel in het Stevinlaboratorium van de TU Delft een STW-onderzoek uitgevoerd: `Slim proefbelasten van betonconstruc-ties'. Hierbij wordt een relatie gelegd tussen akoestische emissieen niet-lineaire numerieke analyse van betonconstructies bijproefbelasten. Het doel van dit onderzoek is te komen tot soft-ware, die online de data analyseert en parameters uit de databepaalt. Het moet dan bijvoorbeeld mogelijk zijn onderscheidte maken tussen buigscheuren, dwarskrachtscheuren enaanhechtingsscheuren. ontlasten nogmaals de belasting van de voorgaande belasting-stap aan te brengen, kan worden nagegaan of de maximaalopgebrachte belasting het constructiegedrag heeft gewijzigd.Aan het eind van elke belastingstap moet minstens eenmaalworden ontlast.Figuur 4 geeft een voorbeeld van een belasting volgens denorm en een vervangende proefbelasting.MonitoringHet gedrag van de constructie moet vooraf worden voorspeld.Door monitoren tijdens het proefbelasten wordt geverifieerd ofde constructie zich gedraagt zoals voorzien. Dit kan gebeurendoor het meten van doorbuiging, rekken en zich ontwikke-lende scheurwijdten. Een andere mogelijkheid is om via akoes-tische emissie de ontwikkeling van schade in de constructie tevolgen. Uitgangspunt hierbij is dat elastische golven, dieontstaan door lokale verstoringen in het beton, signalenafgeven. Om deze signalen te kunnen registreren, wordt deconstructie voorzien van een aantal sensoren.De verstoringen kunnen diverse oorzaken hebben zoals hetontstaan of groeien van scheuren, opening en sluiting vanscheuren en wrijving tussen scheuroppervlakken. De hierdoorveroorzaakte mechanische golven kunnen worden gedetecteerdals elektrische signalen door de sensoren. Door `post proces-sing' kunnen deze signalen informatie geven over het typebeschadiging (scheuropening, scheurwrijving, locatie binnende constructie). Door meting over de gehele constructiekunnen conclusies worden getrokken ten aanzien van het beginvan optreden van irreversibele schade.Een voorbeeld van de optredende signalen bij akoestischeemissie is gegeven in figuur 5. Hierbij is zichtbaar dat nieuwe LiTeRATuuR1 Nalta, R. van, Hansen, T.B., Ultra thin Hi-Con Balconies ? Firstapplication in Holland. 3rd Symposium on UHPC andNanotechnology for High Performance Construction Materials, Kassel7-9 March 2012, proceedings pp.105-110.2 Guterman, M., Ein Beitrag zur experimentell gest?tzteTragsicherheitsbewertung von Massivbr?cken. Dissertatie, Bremen2002.3 Deutscher Ausschuss f?r Stahlbeton ? DafStb Richtlinie ?Belastungsversuche an Betonbauwerken, September 2000.4 Bolle, G., Marx, S. & Kapphahn, G., Loading test on viaduct Heidijkover the A59 in the borough Vlijmen. Test report UB-016-07-01, d.d.14-12-2007, Neubrandenburg 2007.5 Kapphahn, G., Acoustic Emission ? Measurement during comparativeshear test on old concrete beams. Ingenieurburo f?rBauwerkdiagnose Dr.rer.nat, September 2009.7 Proefbelasten onder Hollandseomstandighedenfoto: Wuy Ling / www.concrete-listening.nl