Proefbelasten van viaducten5 201558Proefbelastenvan viaductenProefbelasten om de constructieve veiligheid van bruggen enviaducten aan te tonen, lijkt in sommige gevallen goed te concur-reren met het herberekenen ervan. Proefbelasten biedt een aantalaantrekkelijke voordelen, maar is niet eenvoudig. Als pilot voor hetverder ontwikkelen van de techniek van proefbelasten is in mei 2014de Halvemaansbrug in Alkmaar belast [1].1Pilot toont mogelijk alternatief voor aantonen constructieve veiligheidProefbelasten van viaducten 5 2015 591 Proefbelasting op de Halvemaansbrug in Alkmaar2 De brug dateert uit 1939Meer en meer is er de noodzaak om de aanwezige capaciteitvan bestaande betonnen bruggen en viaducten in Nederland tebeoordelen. Veel van die bruggen en viaducten zijn gebouwd inde 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 deaanwezige wapening of andere inzichten in toegepaste bereke-ningsmodellen kunnen ten grondslag liggen aan de wens eenconstructie te beoordelen. Een beoordeling van een bestaandeconstructie gebeurt veelal door het uitvoeren van (her)bereke-ningen. Dit kunnen eenvoudige berekeningen zijn, maar ookgeavanceerde berekeningen met zogenoemde eindige-elementen-pakketten. Daarvoor is het nodig de eigenschappen van deconstructie te kennen, zoals betondruksterkte en plaats enkwaliteit van de toegepaste wapening. Deze gegevens zijn nietaltijd zonder meer beschikbaar.Als alternatief kan voor proefbelasten worden gekozen. Degedachte bij proefbelasten is om zonder of slechts met zeerbeperkte informatie of onderzoek vooraf, het bewijs vanvoldoende sterkte te leveren door te laten zien dat de constructieeen belasting kan dragen. In het ideale geval kan de inspanningworden beperkt tot het ??n nacht afsluiten van de weg en op debrug aanbrengen van de belasting. Voordeel van deze methode isdat er geen conservatieve aannamen worden gebruikt, waardooralle werkelijke sterkte van een brug wordt benut. Op een gecon-troleerde manier wordt niet meer belasting op de brug gezet danecht noodzakelijk. Komt men er met eenvoudige berekeningenniet uit dan biedt proefbelasten bij de wat kleinere bruggen enviaducten al snel soelaas. De proef is qua kosten concurrerend.Tegelijkertijd is proefbelasten ook weer niet eenvoudig. Welkebelasting moet worden aangebracht om een uitspraak te kunnendoen over de constructieve veiligheid in het gebruik? Bezwijkenis onwenselijk, maar is enige beschadiging tijdens het proefbelas-ten acceptabel, en zo ja, hoeveel? En op welke wijze kan de proefveilig worden uitgevoerd?In dit artikel wordt verslag gedaan van een proefbelasting op deHalvemaansbrug te Alkmaar (foto 1). Deze is in opdracht vande 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 proefbelastennader te onderzoeken. Uit eenvoudige herberekeningen die inopdracht van provincie Noord-Holland in 2012 zijn uitgevoerd,kwam naar voren dat de betreffende brug op buiging nietvoldeed aan het verbouwcriterium volgens NEN 8700 [2]. Debrug voldeed wel met betrekking tot dwarskracht. Om diereden is bij de proefbelasting op de Halvemaansbrug hetmechanisme buigend moment onderzocht.HalvemaansbrugDe Halvemaansbrug (foto 2) dateert uit 1939. De breedte vanhet kanaal ter plaatse van de brug is circa 7 m. De brug is eenscheef kunstwerk met een kruisingshoek van ongeveer 68?. Deoverspanning is circa 8 m, gemeten in de overspanningsrich-ting evenwijdig aan de rijrichting. De opleggingen bestaan uitgemetselde kademuren en het betreft een plaatbrug metversterkte randstroken. De dikte van het dek is 450 mm en derandstroken hebben een dikte van 590 mm.Grootte van de belastingNEN 8700 [2] (bijlage E.8) geeft aan dat een proefbelastingmag worden uitgevoerd voor het beoordelen van een construc-tiedeel. Het ligt voor de hand de proefbelasting te baseren opde belastingen zoals opgenomen in NEN 8701 [3]. Deze zijnechter gebaseerd op overspanningen groter dan 20 m. Tevenszijn deze bedoeld voor rekenexercities en niet voor proefbelas-ten. Het vermoeden bestaat dat de benodigde proefbelastingvoor typisch provinciale kunstwerken kleiner is vanwege deveelal kleine overspanning.TNO heeft onderzocht welke belasting op de Halvemaansbrugmoet worden aangebracht om aan te tonen dat aan het verbouw-niveau (CC2) conform NEN 8700 wordt voldaan [4]. Er zijn vijfzaken die bij proefbelasten op korte overspanningen anders zijndan gebruikelijk tijdens het rekenen met belastingen:1. In geval van een proefbelasting is de brug deterministischbelast door het eigen gewicht, zodat daarover geen onzeker-heid is. Voor de permanente belasting wordt er voor dezedr.ir. Paul WaartsProvincie Noord-Hollandprof.dr.ir. Dick HordijkTU Delft / Adviesbureauir. J.G. Hageman B.V.dr.ir. Sonja FennisTU Delftprof.dr.ir. Rapha?lSteenbergenTNO / UGent2Proefbelasten van viaducten5 201560M [kNm]100 150 200 250 300 350 400F[M]10-1010-810-610-410-2100emperische verdelingsfunctiemultimodale normale verdeling3 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 brengenEr is een correctie aangebracht vanwege het verschil tussen de51 500 vrachtvoertuigen per jaar op de onderhavige locatie ende 2,5 106vrachtvoertuigen per jaar op RW16.Modelonzekerheden, dynamische vergrotingseffecten en trendsvoor de toekomst zijn meegenomen in de belasting. Uiteinde-lijk leidde dit tot een niveau-II / niveau-III probabilistische somvoor het bepalen van de ontwerpverkeersbelasting. Deuitkomst van de probabilistische som is dat een buigendmoment van 340 kNm/m nodig is voor het aantonen van deconstructieve veiligheid met betrekking tot het buigendemoment op verbouwniveau conform NEN 8700 [2]. Dit isongeveer gelijk aan hetgeen volgens NEN 8700 in rekening zouworden gebracht. Voor de duidelijkheid: het fenomeen proef-belasten in plaats van rekenen (punt 2) zorgt ervoor dat deproefbelasting hoger is dan volgens NEN 8700. De zaken metbetrekking tot rekenonnauwkeurigheid (punt 3) en kortereoverspanning (punt 4) leiden ertoe dat de proefbelasting 4%lager wordt dan de (reken)belasting uit NEN 8700.Wijze van proefbelastenUitgaande van een belasting volgens de norm (tandemstelselmet vier wielprinten), zou ervoor kunnen worden gekozen debelasting op vier punten aan te brengen. Voor deze proefbelas-ting is ervoor gekozen met een belasting over twee lijnlastenhetzelfde belastingeffect te cre?ren. Er moest op de Halve-maansbrug een totale belasting van 900 kN (90 ton) wordenaangebracht om het door TNO bepaalde buigend moment tebereiken en daarmee aan te tonen dat de brug voor het mecha-nisme buigend moment voldoet aan het verbouwniveauconform NEN 8700.brug van uitgegaan dat dit in de toekomst niet zal wijzigen.Hierdoor zal de bijdrage van de permanente belasting aan defaalkans nul zijn en behoeft deze niet te worden meegenomenin de aan te brengen proefbelasting.2. Het zal duidelijk zijn dat als de brug tot het uiterste zouworden belast, er ook geen onzekerheid meer is over desterkte. In een probabilistische beschouwing (de basis vanonze normen) komt dan alle onzekerheid aan de belasting-kant te liggen. Er is immers geen kans meer dat de brugsterker is dan gedacht, zodat alleen de kans overblijft datde 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 modelleringS wordt de invloedsfactor Smeestal gelijk genomen aan 0,7(ISO 2394 [5] en NEN-EN 1990 [6]). In het geval van eenproefbelasting zouden we Smoeten verhogen van 0,7 naar1,0, als de sterkte R exact bekend is. Echter bij proefbelastingweten we alleen dat de werkelijke sterkte groter is dan deaangebrachte belasting. Dit leidt tot een aanpassing van dewaarde voor S. Voor het onderzoek is een waarde aangehou-den van S= 0,8. De betrouwbaarheidsindex van de belastingen modellering wordt dan S = 0,8 3,1 = 2,5 voorverbouw. Als referentieperiode gaan we uit van vijftien jaar(NEN 8700 [2]).3. De zogenoemde modelfactor [7] die de onzekerheid vanberekeningen verdisconteert in de belastingfactor, zal kleinerzijn dan gebruikelijk. Er wordt immers met proefbelasten inmindere mate gerekend aan deze brug, zodat er ook weinigrekenonnauwkeurigheden kunnen optreden.4. De Eurocode voor brugbelastingen is gekalibreerd voorbruggen met overspanningen groter dan 20 m [8]. In hetonderhavige geval ? een brug met overspanning van circa8 m ? kan de te gebruiken belasting lager zijn [9].5. Op deze brug komen slechts 51 500 vrachtvoertuigen per jaarvoor, in plaats van de normaal gebruikelijke 2,5 106per 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 belastingmodelvoor de onderhavige brug bepaald. Voor de gemeten voertuig-karakteristieken is een reeks van voertuigen gegenereerd metrandom gekozen voertuigtypen, gewichten, tussenafstanden ensnelheden, die vervolgens over de brug is gevoerd. Voor elktijdstip is het buigend moment in het midden van de overspan-ning bepaald, waarmee het maximum buigend moment in eenbepaalde periode kon worden bepaald.In figuur 3 is de complementaire cumulatieve verdelingsfunctievoor de dagmaxima op basis van de voertuigkarakteristiekenvan RW16 weergegeven. De rode punten geven de empirischeverdelingsfunctie weer. Op de empirische verdelingsfunctie iseen analytische verdelingsfunctie gefit (de blauwe lijn in fig. 3).3Proefbelasten van viaducten 5 2015 614,452,0In 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 opvangconstructiegeplaatst die op de landhoofden is opgelegd (fig. 4). Op dezeopvangconstructie zijn stalen contragewichten van mobielekranen (4,0 ? 1,8 m2met een gewicht van 12,5 ton per stuk)gelegd. Op die manier kon de aan te brengen belasting bovende brug worden aangebracht zonder deze te belasten. Omvervolgens de belasting daadwerkelijk op de brug aan tebrengen, zijn vier vijzels gebruikt. De vijzels zijn gepositioneerdtussen de stapel contragewichten en de brug (fig. 5), waarbijmet de stalen lastspreidingsplaten twee lijnlasten zijn gecre-eerd. 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 wordenontlast en droeg de opvangconstructie weer een groter deel vande belasting. Op deze wijze kon de brug nooit ongecontroleerdbezwijken. Als de brug snel meer zou doorbuigen, zou debelasting op de brug wegvallen en deze weer op de opvang-constructie komen te rusten.Tijdens het proces van belasten zijn de opvangconstructie en deopleggingen op de landhoofden nauwkeurig gemonitord. Infoto 6a en 6b is de situatie te zien waarin twee contragewichtenop de opvangconstructie waren geplaatst. Het plaatsen van deopvangconstructie nam circa drie uur in beslag. Onder de brugzijn diverse metingen uitgevoerd, waarbij gebruik is gemaaktvan een ponton voor de bereikbaarheid.Er is gecontroleerd belast door het stapsgewijs aanbrengen vande contragewichten en het met de vijzels overnemen van deproefbelasting van de opvangconstructie op het brugdek. Na4Situatie I Contragewichten op opvangconstructie: brug onbelastSituatie II Contragewichten los van opvangconstructie: brug belast5contragewichtendoorsnede Aopvangconstructielandhoofd landhoofdAbrugAcontragewichtendoorsnede Aopvangconstructielandhoofd landhoofdAbrugAProefbelasten van viaducten5 201562100090080070060050040030020010000 5000 10000 15000tijd [sec]belasting[kN]is met behulp van de techniek van akoestische emissie (AE)geluisterd naar de constructie (foto 9b). De TU onderzoekt ofdeze techniek kan worden gebruikt om in een vroeg stadiumvan belasten al uitspraken te kunnen doen over de sterkte.ResultatenTijdens het belasten van de brug is het gedrag real timegevolgd. Gedurende uitvoering van belastingcycli is gekekennaar de mate waarin niet-lineair gedrag was waar te nemen ener na ontlasten sprake was van blijvende vervorming. Dat zijnook criteria die waren aangegeven in een Duitse richtlijn uit2000 voor proefbelasten [10]. Hoewel de daarin aangegevencriteria voor bepaalde metingen bij de brug uiteindelijk net ietswerden overschreden, werd het verantwoord gevonden omdoor te belasten en een belasting van 900 kN (90 ton) aan teiedere belastingstap is de belasting gedurende minimaal tweeminuten constant gehouden. De totale proefbelasting heeftongeveer drie uur in beslag genomen, waarbij verschillendebelastingstappen zijn uitgevoerd en een maximale belastingvan 900 kN (90 ton) is aangebracht (fig. 7).MetingenVoor 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 hetontwikkelen van de techniek en bij de onderhavige pilot, is juistveel gemeten (foto 8). Een houten frame was gemaakt om dedoorbuiging van de brug te kunnen meten met verplaatsings-opnemers (laser opnemers) en over bestaande scheuren warenverplaatsingsopnemers (LVDT's) geplaatst (foto 9a). Daarnaast6b6b7contragewichtenvijzelsopvangconstructieProefbelasten van viaducten 5 2015 636 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 tijdbrengen. De absolute waarden van zowel de (blijvende) door-buiging als de scheurwijdtetoename waren daarbij nog zeerklein. In figuur 10 is te zien dat bij een belasting van circa620 kN het last-verplaatsingsverloop niet-lineair werd en datna belasten tot 900 kN na ontlasten de blijvende doorbuigingcirca 0,18 mm was. In figuur 11 is de doorbuiging van de brugvoor verschillende belastingniveaus weergegeven. Daarin is ookte 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 bijkomendescheurwijdte was kleiner dan 0,001 mm.Op basis van de metingen kon worden vastgesteld dat inbeperkte mate herverdeling is opgetreden door het ontstaanvan een nieuwe langsscheur. Die heeft met name de verticaleverplaatsingsmetingen en de scheurvervorming over de langs-scheuren be?nvloed. Voor het totale gedrag van de brug konworden vastgesteld dat tot belasting van 900 kN, niet-lineairgedrag binnen acceptabele grenzen is gebleven. Met eeninspectie van de brug na de proefbelasting is vastgesteld dat detoename van de scheurvorming door proefbelasting zeerbeperkt is geweest en geen enkel effect heeft op de duurzaam-heid van de brug.Duidelijk was dat de brug de proefbelasting makkelijk kondragen. Hoe sterk de brug werkelijk is, weten we niet. Wel isduidelijk geworden dat de brug sterker is dan wat eenvoudigelineaire berekeningen lieten zien en met de proefbelasting isaangetoond dat de brug voldoet aan de constructieve veilig-heidseisen conform NEN 8700 [2].8 Diverse metingen zijn uitgevoerd onder de brug9 Lasermeting voor doorbuiging en verplaatsingsmeter over bestaandescheur (a) en sensor voor akoestische emissiemeting (b)89a9bProefbelasten van viaducten5 20156400,20,40,60,811,21,41,61,82129375509624751856902744902[kN]locatie lasers [m]verplaatsing[mm]0 2 4 6 810009008007006005004003002001000verplaatsing [mm]belasting[kN]0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6laser 01LVDT01 AE02AE09AE14AE12AE08AE05AE11AE13AE10AE07AE01AE03AE06 AE02AE04LVDT02laser03laser02laser01LVDT03LVDT0410 Last-verplaatsing ter plaatse van het midden van de randstrook11 Doorbuiging van de brug voor verschillende belastingniveaus LITERATUUR1 Fennis, S.A.A.M., Hordijk, D.A., Proefbelasting HalvemaansbrugAlkmaar. TU Delft, Stevinrapport 25.5-14-05, 19 december 2014.2 NEN 8700: 2011 Beoordeling van de constructieve veiligheid vaneen bestaand bouwwerk bij verbouw en afkeuren ? Grondslagen.3 NEN 8701: 2011 Beoordeling van de constructieve veiligheid eenbestaand bouwwerk bij verbouwen en afkeuren ? Belastingen.4 Steenbergen, R.D.J.M., Miraglia, S., Ontwerpverkeersbelasting voorhet proefbelasten van een brug met ??n 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 constructiefontwerp.7 Steenbergen, R.D.J.M., Morales Napoles, O., Vrouwenvelder,A.C.W.M., Algemene veiligheidsbeschouwing en modelleringvan wegverkeerbelasting voor brugconstructies. TNO-rapportTNO-060-DTM-2011-03695-1814 (update van TNO Rapport98-CON-R1813), 17 juli 2012.8 Vrouwenvelder, A.C.W.M., Waarts, P.H., De Wit, S., Algemene veilig-heidsbeschouwing en modellering van wegverkeersbelasting voorbrugconstructies. TNO rapport 98-CON-R1813, 15 maart 2000.9 Probabilistic Model Code, Report JCSS-OSTL/DIA/VROU. JointCommittee on Structural Safety (JCSS), 12th draft, 10 november2000.10 Deutscher Ausschuss f?r Stahlbeton, DafStb Richtlinie ? Belastungs-versuche an Betonbauwerken, september 2000.ConclusieAan de TU Delft wordt gewerkt aan het opzetten van eenprotocol voor het beoordelen van kleinere bruggen doormiddel van proefbelasten. Met de proefbelasting op de Halve-maansbrug is ervaring opgedaan voor het proefbelasten en iswaardevolle informatie verzameld voor verder uitwerken vanhet beproevingsprotocol. Daarnaast kon met de proefbelastingworden aangetoond dat de Halvemaansbrug voldoet aan hetverbouwniveau (CC2) conform NEN 8700. 1011