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