Metselwerk in onderzoek

Die samenwerking verloopt sinds een jaar via de City Deal Tijdloze grachten. Binnen dat verband is er ook een werkgroep opgezet voor het onderzoek naar metselwerk. “Het doel is om een groeiboek te maken waarin alle onderzoeken naar metselwerk kunnen landen”, vertelt Berber Renckens van de gemeente Amsterdam. “De meeste van die onderzoeken komen uit de grote gemeenten, zoals Amsterdam, Den Haag, Utrecht en Den Bosch”, vult Ad van Vugt van de gemeente Den Bosch aan. “Andere gemeenten kunnen dan middels het groeiboek die expertise gebruiken voor hun eigen opgave.”

Den Bosch: togen

In zijn eigen Den Bosch werden Ad en zijn collega’s bij de gemeente een aantal jaren geleden geconfronteerd met een onderzoek naar de draagkracht van de beroemde togen. Dat zijn lange bruggen die grote delen van de Binnendieze overkluizen, een riviertje dat over een traject van zo’n 3,5 kilometer door de stad loopt. Het advies luidde om het vrachtverkeer te beperken tot onder de 5 ton. “Terwijl er dagelijks vuilniswagens van 35 ton overheen reden”, vertelt Ad. Dus besloten ze om een grondiger onderzoek in te stellen. Ze huurden de expertise in van 3 ingenieursbureaus en vroegen Amsterdam, Utrecht en Den Haag om ook mee te kijken. Met een 3D rekenmethode is er een nieuw model gemaakt. Ad: “Dat model voorspelde dat de boogbruggen stukken sterker zijn dan uit het eerste onderzoek naar voren kwam. Vervolgens is de juistheid van die voorspelling bewezen met een belastingproef met een torenkraan die met steeds meer gewicht op een brug is gezet.”

Behalve dat het onderzoeksrapport Den Bosch een hoop hoofdbrekens heeft bespaard, biedt het ook een schat aan informatie over de eigenschappen van historisch metselwerk en metselwerkconstructies. “Daar hebben veel andere steden ook dankbaar gebruik van kunnen maken”, volgens Ad. “En precies dat is ook het idee achter de metselwerkgroep binnen de City Deal: dat we samen meer kunnen en dat we elkaar kunnen helpen.”

Amsterdam: kademuren

In Amsterdam ligt de focus van het metselwerkonderzoek op de kademuren. “We willen een methode ontwikkelen waarmee we betrouwbaar kunnen voorspellen wanneer het metselwerk zijn samenhang verliest en de kademuur dreigt in te storten”, zegt Berber Renckens. “Met andere woorden: wanneer we moeten ingrijpen.” Dat onderzoek is nodig omdat er tot nu weinig documentatie en richtlijnen zijn voor het beoordelen van dit soort dikwandige metselwerkconstructies. Berber: “Er zijn wel richtlijnen voor metselwerk in nieuwbouw en voor metselwanden van huizen en gebouwen, maar dat zijn toch heel andere constructies dan een historische kademuur.”

Onderzoek TU Delft

De verschillende onderzoeken naar het metselwerk worden opgezet en uitgevoerd door de Constructiemechanica-groep van de TU Delft. Rita Esposito leidt dit onderzoek, samen met haar collega Francesco Messali. Rita richt zich op het onderzoek naar de mechanische eigenschappen van het metselwerk: hoe de stenen en de mortel reageren op de kracht die erop wordt uitgeoefend. “Bij kademuren gaat het dan vooral over de horizontale kracht van de grond die tegen de muur aandrukt”, vertelt ze. “Hoe de stenen en mortel hiertegen weerstand bieden, hoe ze vervormen, wanneer er scheuren ontstaan en wanneer ze breken.”

Haar collega onderzoekt hoe de samenhang van het metselwerk reageert op die horizontale krachten als er een aantal funderingspalen is bezweken. Rita: “Als er ergens in een kademuur scheuren ontstaan, wil dat nog niet zeggen dat hij op het punt staat in te storten. De krachten worden verdeeld over de hele kademuur en de fundering daaronder. De krachten op een slecht deel worden dan deels opgevangen door de rest van de kademuur. Een van de belangrijkste doelen van het onderzoek is om te kunnen beoordelen wanneer dat laatste niet meer lukt en de muur bezwijkt.”

Stukken kademuur oogsten

Daarvoor moeten we de mechanische eigenschappen van de gehele kademuur begrijpen. En de variatie tussen de verschillende delen van een kademuur, zoals tussen metselwerk dat aan de landzijde ligt en metselwerk dat onder water aan de grachtkant ligt. Die zullen namelijk verschillend reageren op dezelfde krachten, en dus ook een andere invloed hebben op hoe de kademuur in zijn geheel reageert.

Voor het onderzoek zijn veel monsters van kademuren nodig. En die zijn lastiger te oogsten dan je op het eerste gezicht zou denken, vertelt Rita. “Bijvoorbeeld het uitnemen van rechthoekige monsters met afmetingen van 60 x 60 centimeter, zoals vereist volgens de normen, is lastig bij dikke muren.. We zijn erachter gekomen dat de beste manier is om een ronde kernboring te doen.” De kernboringen worden sowieso al gedaan door de uitvoerende aannemer in de voorbereiding van het herstel van een kademuur. De uitgeboorde stukken kademuur worden nu na inspectie niet weggegooid, maar gaan naar het lab van de TU in Delft voor onderzoek. “Die stukken zijn heel waardevol”, vertelt Rita. “We hebben methoden ontwikkeld waarmee we uit een klein stuk al heel veel inzichten kunnen halen. En hoe meer van die inzichten we kunnen toevoegen aan onze database, hoe meer we weten en hoe beter we het gedrag van kademuren kunnen voorspellen.”

Model voor beoordeling en renovatie

Met die inzichten is nu een geavanceerd model opgezet voor de beoordeling van het metselwerk, en dit is inmiddels ook onderdeel van de ARK, de Amsterdamse Risicobeoordeling Kademuren. Dit is een methode om de algehele conditie van kademuren te beoordelen. Dan gaat het niet alleen over het metselwerk, maar ook over de fundering: de vloer waarop de kademuur staat en de palen die het hele zaakje omhoog moeten houden. En over de hoeveelheid en zwaarte van het verkeer dat er dagelijks overheen rijdt.

“Door het onderzoek weten we nu dat de gemeente bij vroegere beoordelingen van het metselwerk te veel aan de conservatieve kant zat”, vertelt Rita. “Dat is logisch, want hoe minder je weet hoe meer je voor een veilige marge moet kiezen. Maar nu we meer weten, is een nauwkeurigere beoordeling mogelijk. Zo kunnen we nu vaker kiezen voor renovatie in plaats van volledige vervanging, en soms zelfs een ingreep de komende 30 jaar uitstellen.” Behalve voor de beoordeling van de kademuren wordt het geavanceerde model ook gebruikt bij de renovatie van kademuren. Rita: “Met het model kunnen we de samenwerking tussen het metselwerk en de groutinjectiepalen voorspellen, en weten we hoe en waar we de palen het beste kunnen plaatsen.”

Kademuur in het lab

Toch is het werk nog niet klaar, als het aan Rita ligt. “We weten immers nog niet precies genoeg waar het omslagpunt ligt tussen scheuren die ontstaan en een kademuur die volledig bezwijkt”, vertelt ze. “We willen weten hoeveel kracht er op een typische kademuur moet staan voor hij zijn constructieve samenhang verliest. Dit is nodig om de geavanceerde modellen verder te valideren. Dan weet je wanneer je in actie moet komen. Én je krijgt meer inzicht in je monitoring, en welke ingrepen je moet doen op basis van je monitoring.”

Om dat te bewerkstelligen heeft ze een plan gemaakt om een typische kademuur na te bouwen in het lab in Delft, en die in een ultieme test tot bezwijken te brengen. “Het is nog een droomplan”, vertelt ze lachend. “Maar ik heb goede hoop dat die droom werkelijkheid kan worden.”