Hoeveel trägt een Verbundträger?

Verbundträgerdekken bestaan uit een betonnen plaat met daarbinnen stalen liggers als wapening. In Amsterdam staan meer dan 100 bruggen met zo’n dek. Sinds 2018 doet de gemeente al onderzoek naar de sterkte van deze brugdekken, samen met TNO en de TU Delft. De aanleiding hiervoor was simpel, vertelt Ronald Damstra, die het onderzoek vanaf 2021 heeft begeleid. “Volgens de bestaande normen zouden deze bruggen al ingestort moeten zijn. Maar in werkelijkheid staan ze nog gewoon overeind. En ook in onze monitoring zien we niet dat ze aan het bewegen zijn.”

Dus wat is hier aan de hand? En hoe sterk zijn ze in werkelijkheid? Het antwoord ligt in de constructie van staal en beton. “De brugdekken zijn gemaakt van beton met stalen profielen,” vertelt Ronald verder, “maar de samenwerking tussen die twee mochten we volgens de bestaande regels niet meerekenen. Dus was het zaak om aan te tonen dat er wel interactie is tussen het staal en beton, en dat dat de brugdekken sterker maakt dan we volgens de bestaande regels mochten aannemen.”

Toen de Vijzelstraat in 2020 op de schop ging, zag het Ingenieursbureau van de gemeente een uitgelezen kans om dit onderzoek te starten. “Alle drie de bruggen hadden Verbundträgerdekken, en alle drie werden ze gesloopt”, vertelt Ronald. “Dat bood een unieke gelegenheid om in ieder geval bij 1 van die bruggen het betonnen dek ter plekke te proefbelasten en vervolgens uit te hijsen voor verder onderzoek in het lab.”

Proeven op de Walenweeshuissluis

Zo gezegd zo gedaan. In januari 2020 heeft een onderzoeksteam het dek van brug 70, de Walenweeshuissluis over de Prinsengracht, op 5 verschillende plekken beproefd met een proefbelasting. Bij elke proef is op een oppervlak ter grootte van 1 vrachtwagenwiel tussen 2 stalen liggers steeds meer gewicht aangebracht. Tot er uiteindelijk een kracht van 47 ton op het dek werd uitgeoefend. Dat is volgens de norm ruim meer dan het gewicht van de as van een vrachtwagen, waar 30 ton voor staat.

De resultaten van de vijf proefbelastingen waren positief. Bij de maximale belasting was onder het dek met het blote oog geen scheurvorming te zien. En de sensoren die onder de brug waren gehangen lieten zien dat de liggers veel meer bijdroegen aan de krachtsafdracht van de belasting dan we tot nu toe mochten aannemen. Het dek was daarmee ook stijver dan verwacht. Dat betekent dat het meer belasting aankan, voordat het gaat buigen en uiteindelijk breken.

Proef geslaagd, maar het was nog niet voldoende informatie om een nieuw rekenmodel op te stellen waarmee we de sterkte van het dek konden voorspellen. Dat kon alleen op basis van proeven in een laboratorium. Ronald: “Daarvoor hebben we toen het lange middendeel en twee kortere zijdelen van het brugdek uitgehesen en via het water naar Delft vervoerd.”

Proeven in het lab

Daar zijn de delen beproefd in het lab van TNO en later de TU Delft. Hierbij zetten we een gewicht op het proefdeel en voeren we dat gewicht vervolgens in kleine stapjes steeds verder op. Zo kunnen we zien op welke manier het beton en staal met elkaar samenwerken. Verder hebben we van andere delen van het brugdek betonkernen uitgeboord om de kwaliteit van het beton te bepalen.

Betonspecialist Ane de Boer begeleidde de proeven. “Zo’n bezwijkproef volgen we nauwkeurig met verschillende sensoren die boven, onder, naast en op de staal- en betondelen zijn geplaatst”, legt hij uit. “Ook maken we gebruik van digital imaging camera’s om tijdens de proeven de scheurvorming van opzij op te nemen. Daarnaast gebruiken we akoestische emissiesensoren om het schuifgedrag tussen de stalen liggers en het betondek te registreren. Zo kunnen we op basis van geluid de toename van de scheurvorming in kaart brengen. Je kunt het vergelijken met het luisteren naar ruis bij het menselijk hart met een stethoscoop.”

Ingewikkelde rekenmethode

Parallel aan de proeven is er ook een 3D rekenmodel ontwikkeld om te kunnen voorspellen bij hoeveel belasting een dek bezwijkt, en op welke plekken. Dat model is in eerste instantie opgesteld door TNO en later door Ane zelf doorontwikkeld. “Zo’n model moet kunnen aantonen waar de scheuren in het beton komen en of je dan het effect ziet in het staal”, legt hij uit.

Daarvoor gebruik je een niet-lineaire eindige elementen-methode. Dat is een complexe en geavanceerde rekenmethode die vanaf de jaren ‘80 van de vorige eeuw is ontwikkeld, en waarvan Ane één van de pioniers was. “In feite betekent het dat je de constructie opzet in 3D in plaats van in 2D, en dat je daar vervolgens ook mee rekent”, legt hij uit. “Dat maakt je rekenmodel ingewikkelder, maar ook veel realistischer, met een hogere voorspellende waarde.”

Bij de proefbelasting van het derde proefdeel heeft het geavanceerde rekenmodel exact correct voorspeld wat er ging gebeuren. “Ane zat er heel relaxt bij”, weet Ronald nog. “Hij zei ‘bij 135 ton gaat ie’ en precies dat gebeurde. Ook de plek waar de scheuren ontstonden waren correct voorspeld.”

Van 3D naar 2D rekenmodel

Het geavanceerde rekenmodel is vervolgens beoordeeld door 2 professoren van de TU Delft. Maar daarmee waren ze er nog niet. “Zo’n rekenmodel in 3D wordt in de praktijk maar weinig gebruikt ”, legt Ronald uit. “Het is heel erg ingewikkeld, ook voor ervaren constructeurs. Bovendien ben je met zo’n berekening te veel tijd kwijt.”

Dus besloot het team om het geavanceerde 3D rekenmodel om te zetten naar een praktischer 2D rekenmodel. Berber Renckens en Long Ha van het Ingenieursbureau van de gemeente hebben dit project begeleid. “De constructeurs die het doorrekenwerk voor hun rekening nemen, kunnen met dit 2D model wel uit de voeten, en het werkt een stuk sneller”, vertelt zij. “Het 2D model hebben we inmiddels gebruikt bij een aantal bruggen en gezien dat de uitkomsten goed overeenkomen met het 3D model. Daarmee hebben we de geldigheid van het 2D model gevalideerd. TU Delft toetst nu deze validering voor ons.”

Geld en overlast besparen

Als dat klaar is, kunnen we het model toevoegen aan een groter geheel van modellen die niet alleen de sterkte, draagkracht en restlevensduur van de dekken voorspellen, maar ook van de funderingen en het metselwerk, en die ook de verkeersbelasting meenemen. Ronald: “Dit overkoepelende model hopen we in 2024 klaar te hebben en in gebruik te kunnen nemen.”

Ondertussen hebben we zoveel vertrouwen dat we het model al inzetten voor de beoordeling van bruggen met Verbundträgerdekken. “En dat is goed nieuws voor de stad’, volgens Ronald, “want dat scheelt potentieel tientallen bruggen die nog een hele tijd meekunnen en die we nu niet hoeven te versterken of vervangen. Daarmee besparen we veel geld en overlast.”