themaToetsen bestaande bruggen420132themaToetsenbestaandebruggenVan alle bestaande, gewapende envoorgespannen betonnen bruggen voorwegverkeer in Duitsland, hebben meerdan duizend grote federale bruggen eengebruiksduur van dertig tot vijftig jaarbereikt. Deze constructies kunnen nieteenvoudig worden gesloten vooronderhoud of vervanging zonderaanzienlijke hinder voor het wegverkeerte veroorzaken. Daarom is recent eenveelomvattende campagne gestart omhun geschiktheid voor toekomstiggebruik nauwkeurig te kunnenvaststellen. Dit artikel geeft een overzichten korte samenvatting van de inhoudvan Duitse voorschriften die betrekkinghebben op het constructief beoordelenvan bestaande bruggen.1Samenvatting Duitse voorschriftenvoor het constructief beoordelen vanbestaande bruggenIABSE-congres 2013Dit artikel is gebaseerd op de paper`Structuralverification of older prestressed concrete roadbridges in Germany'van het IABSE-congres 2013dat in mei in Rotterdam plaatsvond. Het artikel isspeciaal voor Cement bewerkt door Ren? Braam.Toetsen bestaande bruggen 42013 32Een bestaande brug voor wegverkeer wordt beschouwd alsbruikbaar indien het betrouwbaarheidsniveau niet lager is danhet niveau van nieuwe constructies. Een eenvoudige en conser-vatieve wijze om aan te tonen of hieraan wordt voldaan, is hetuitvoeren van een constructieve toetsing op basis van huidigevoorschriften en de huidige voorgeschreven belastingen.Echter, in de recente decennia zijn aanzienlijke veranderingendoorgevoerd in de modellen voor verkeersbelastingen. Tevenszijn de ontwerp- en detailleringsregels voor constructiescontinu verbeterd over de jaren.De eerste ervaringen met constructieve herbeoordeling vanbruggen wijzen uit dat toetsing volgens huidige voorschriftenen met de thans te hanteren belastingen, vaak leidt tot het nietvoldoen aan eisen in de bruikbaarheidstoestanden (BGT) enuiterste grenstoestanden (UGT). Versterken of nieuwbouw zijndan ook meestal vereist als deze eenvoudige aanpak wordtgevolgd. Enkele probleemaspecten zijn: onvoldoende dwars-krachtwapening, te kleine weerstand tegen vermoeiing inkoppelvoegen van voorgespannen bruggen, en problemen omte voldoen aan grenswaarden van de scheurwijdte.De rekentechnische onvolkomenheden blijken echter nietovereen te stemmen met de resultaten van praktijkwaarne-mingen. Daarom is het nodig dat een realistische inschattingvan de constructieve veiligheid en restlevensduur vanbestaande bruggen wordt gemaakt; een meer omvattende enuitgebreide toetsing dan in de huidige voorschriften is opge-nomen. Na overleg en discussies in de jaren 2008-2011 is inmei 2011 een eerste uitgave van een beoordelingsrichtlijnverschenen [1]. Navolgend wordt ingegaan op het concept, dereikwijdte en de inhoud van dit document. Daarbij wordt indetail ingegaan op de toetsing op dwarskrachtweerstand vanvoorgespannen bestaande bruggen. Nadere informatie is tevinden in [2], [3] en [4].Duitse richtlijnDe richtlijn maakt het mogelijk bestaande bruggen in gewa-pend en voorgespannen beton, staal, staal-beton en metsel-werk te beoordelen. De richtlijn is gebaseerd op de huidige,Duitse normen voor bruggen en maakt het ook mogelijkadditionele toetsingen uit te voeren. De aanpak is stapsgewijs(niveau 1 ? niveau 4), waarbij een hoger niveau meer informa-tie over de bestaande constructie vraagt en complexere reken-modellen geeft. Een hoger niveau van toetsen kan uitwijzen datmeer weerstand in de constructie aanwezig is, maar vraagt ookmeer complexe en langdurige analyses. Het wordt benadruktdat de richtlijn niet van toepassing is op nieuwe of recentgebouwde constructies die onvolkomenheden hebben.BelastingenDe richtlijn gaat uit van de belastingen in DIN-Fachbericht 101[5], dat de specificaties van de EN 1991-serie volgt. Echter, integenstelling tot het voornoemde voorschrift, is het mogelijk tetoetsen met alternatieve belastingsmodellen voor het wegverkeer.Het aan te houden belastingsmodel is afhankelijk van de verkeers-intensiteit en het type verkeer (grote afstand, midden afstand oflokaal verkeer). Voor bruggen met licht verkeer is, om de belastin-gen te kunnen reduceren, gebruikgemaakt van belastingsmodellenuit oude voorschriften. Vergelijkende berekeningen en verkeers-metingen wijzen uit, dat de oude belastingsmodellen eenvoldoende, veilige benadering voor dit type bruggen geven [6].Niveau 1Na het vaststellen van de verkeersbelasting wordt een niveau-1-berekening uitgevoerd. Op dit niveau wordt een herontwerpvolgens de huidige voorschriften gedaan. Hoewel het veilig-heidsniveau dan vaak te laag blijkt te zijn en niet aan bruik-baarheidseisen wordt voldaan, zijn de resultaten van deze stapwel belangrijk. Zij maken het namelijk mogelijk de gebrekenvan verschillende constructies op een consistente schaal(namelijk: ten opzichte van de vereisten gesteld aan nieuweconstructies) te vergelijken.Dipl.-Ing. Daniel Dunkelberg,Prof. Dr.-Ing. Konrad ZilchTechnische Universit?t M?nchen1 Blik vanaf de Siegtalbr?cke(A45) op Eiserfeldfoto: Eric Weber2 A45, Germinghausenfoto: Stra?en.NRW,www.strassen.nrw.dethemaToetsen bestaande bruggen420134verificatieklasse Cbeoogdverkeersbelastings-modelniveau 2aan alle UGT- enBGT-criteria wordtvoldaan?verificatieklasse Baangepastemodellen encontroles volgensde criteriajaneeniveau 1wordt aan alle UGT-en BGT-criteriavoldaan?verificatieklasse Aberekeningen enherontwerpvolgensDIN-FB 102janeebeperkt gebruikvan deconstructieniveau 3metingenversterking ofvervangingjaneena overleg met het bevoegd gezag:niveau 4wetenschap-pelijke methoden33 Procedure volgens de beoordelingsrichtlijn [1]den. Een beoordeling die op geen van de beoordelingsniveauseen gunstig resultaat geeft (dat wil zeggen: de brug voldoet zelfsniet aan de vereisten van verificatieklasse C), moet wordenversterkt of vervangen.Verzamelen van informatieOpgemerkt wordt dat in de beoordeling een eerste stap, name-lijk het verzamelen van informatie, vaak onvoldoende aandachtkrijgt. Voordat analyses worden uitgevoerd, moet namelijk allerelevante informatie zijn verzameld. De richtlijn noemt origi-nele tekeningen en berekeningen, documentatie van eerderebeoordelingen, reparatie- en/of herstelwerk en resultaten vanmateriaalbeproevingen, als belangrijke bronnen van informa-tie. Ook moet de conditie van de constructie worden opgeno-men. Men moet hierbij denken aan bijvoorbeeld verschilzettin-gen, scheurvorming, vochtplekken en onverwachte doorbui-gingen. Als geen resultaten van een inspectie overeenkomstigDIN 1076 [7] beschikbaar zijn, moet een nieuwe inspectieworden uitgevoerd. Die moet plaatsvinden voordat deconstructieve beoordeling begint. Momenteel neigt men ernaardie initi?le inspectie als een niveau 0 in het beoordelingsprocesop te nemen.Figuur 3 geeft een schematisch overzicht van het constructievebeoordelingsproces volgens de Duitse beoordelingsrichtlijnvoor bestaande bruggen voor wegverkeer [1].DwarskrachtweerstandEerste toetsingen van bestaande bruggen aan het huidige DIN-Fachbericht 102 [8] wijzen uit dat onvoldoende dwarskracht-wapening in lijven nabij opleggingen of tussen lijven enflenzen, de in rekentechnische zin meest voorkomende gebre-ken zijn. Omdat er in Duitsland geen instorting van of ernstigeschade aan bestaande, betonnen bruggen ten gevolge vanbezwijken op dwarskracht is opgetreden, lijkt die constateringop het eerste oog verrassend. Bij nader inzien blijkt echter dathet probleem niet wordt veroorzaakt door een toename van deontwerpbelastingen, maar vooral voortkomt uit veranderingenNiveau 2Op niveau 2 wordt het gebruik met meer nauwkeuriger model-len getoetst en mag een aangepast veiligheidsconcept wordentoegepast dat niet in destijds van toepassing zijnde voorschrif-ten is opgenomen. Er kan worden gekozen uit een veelheid vanaanpassingen. Een niveau-2-beoordeling is dan ook altijdtoegesneden op de karakteristieken van een individueleconstructie. Het is daarom niet mogelijk de resultaten vanniveau 2 (of hogere) beoordelingen onderling te vergelijken.Niveau 3Bij een niveau-3-beoordeling wordt getoetst volgens niveau 2,zij het gebruikmakend van de resultaten van metingen die aande constructie zijn verricht.Niveau 4Op niveau 4 worden wetenschappelijke methoden als eenprobabilistische analyse of een niet-lineaire driedimensionaleanalyse toegepast. Het doel hiervan is een precieze evaluatievan de weerstand van bestaande bruggen.Een niveau-2-beoordeling kan altijd worden uitgevoerd;niveau-3- en 4-beoordelingen alleen dan als overleg is gevoerdmet het bevoegd gezag.VerificatieklasseAfhankelijk van het niveau waarop de beoordeling is uitge-voerd en de resultaten binnen elk niveau, wordt een constructieingedeeld in een verificatieklasse (A, B of C). Dit maakt hetmogelijk snel een overzicht te krijgen van de constructieveprestaties. Ook kunnen de constructies met betrekking tot de tenemen maatregelen worden ingedeeld in prioriteitsklassen.Tabel 1 geeft aan hoe de verificatieklassen worden onderschei-Tabel 1 Verificatieklassen [1]verificatieklasse niveau vanbeoordelingomschrijvingA 1 Aan alle BGT- en UGT-toetsen op niveau 1 wordt voldaan.De constructie is gelijkwaardig aan een constructieontworpen volgens de huidige voorschriften.B 2, 3 of 4 Aan alle BGT- en UGT-toetsen op niveau 2, 3 of 4 wordtvoldaan, zonder dat aanvullende maatregelen zijn vereist.C 2, 3 of 4 Aan alle BGT- en UGT-toetsen op niveau 2, 3 of 4 wordtalleen dan voldaan, als aanvullende maatregelen wordengenomen (gereduceerde restlevensduur, beperkingen aanzwaar transport, enz.).Toetsen bestaande bruggen 42013 5dwarskrachtwapening-asw[?100mm?/m]overspanning [m]asw,reqvolgens DIN- FB 102 [8]asw,reqvolgens [1]buigpunt in het verloop vande voorspanningasw,providedasw,minvolgensDIN-FB 102 [8]4540353025201510500 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55454 A45 Siegtalbr?cke, Eiserfeldfoto: Stra?en.NRW, www.strassen.nrw.de5 In een tussenoverspanning vereiste en toegepaste beugelwapening in het lijfvan een kokerligger met nagerekt voorspanstaal [12]introduceren. De hellingshoek van de betondrukdiagonalenmag zelfs afnemen tot > 18,4?, mits geen significant schuinescheurvorming in de constructie is opgetreden en de restle-vensduur beperkt is tot maximaal twintig jaar. De aanvullendeeisen zijn geformuleerd om te voorkomen dat zones metproblemen met de duurzaamheid tegelijkertijd zwaar wordenbelast op dwarskracht. Het dwarskrachtmodel met een tot18,4? is in overeenstemming met [11]. Aanvullende controlesvan de ductiliteit van beugels of de verankering van de langs-wapening zijn niet vereist bij de aangepaste en beoordelings-niveau 2 volgens [1].De aangepaste beoordeling van de dwarskrachtweerstandvolgens [1] is met succes toegepast bij het beoordelen vanbestaande bruggen. Figuur 5 geeft een voorbeeld dat betrek-king heeft op het lijf van een statisch onbepaalde kokerliggermet nagerekt voorspanstaal. Aangegeven is de hoeveelheidtoegepaste dwarskrachtwapening (as,provided) en de benodigdedwarskrachtwapening (as,required) in een tussenoverspanningvolgens [1] en [8]. Het toepassen van de aangepaste benaderingvolgens [8] leidt tot een significante afname van de omvang vande zones waar onvoldoende dwarskrachtwapening aanwezig is.Conclusies en vooruitblikDe Duitse beoordelingsrichtlijn voor het toetsen van bestaandebruggen voor wegverkeer is gepubliceerd in mei 2011. In eenstapsgewijze benadering kan informatie worden verkregen overde constructie en kunnen meer complexer rekenmethoden danopgenomen in huidige voorschriften worden toegepast.Momenteel wordt de richtlijn gebruikt bij het constructieftoetsen van geselecteerde en representatieve verkeersbruggen.in de voorschriften. Het merendeel van de Duitse bruggen insnelwegen is gebouwd tussen 1960 en 1980 en ontworpen engedetailleerd volgens de destijds van toepassing zijnde voor-schriften. Zo zijn bijvoorbeeld voor het jaar 1967 in Duitslandgebouwde bruggen ontworpen op basis van hoofdspannings-berekeningen en het toetsen op toelaatbare spanningen. Dezebruggen hebben geen minimumdwarskrachtwapening. Deweerstand berekenen met de huidige herziene en aangepastevoorschriften leidt tot onrealistische uitkomsten. Daarom is detoetsing op dwarskracht volgens oudere voorschriften opgeno-men in de regels voor beoordelingsniveau 2.De richtlijn geeft gedetailleerde informatie over een aangepaststaafwerkmodel waarmee de dwarskrachtweerstand vanbestaande bruggen wordt getoetst. De aanpak is in de basisovereenkomstig die in DIN-Fachbericht 102, zij het dat klei-nere hellingshoeken van de betondrukdiagonalen zijn toege-staan. Vergeleken met de > 30? in DIN-Fachbericht 102, staathet beoordelingsdocument een hoek > 21,8? toe. Die waardeis van toepassing zonder enige, verdere eis met betrekking totde toestand waarin de constructie verkeert. Zij is ontleend aaneen oudere, Duitse norm met betrekking tot voorgespannenbeton [9], die voorzag in een rekenmethodiek voor dwars-kracht in lijn met degene vermeld in [1] en [8]. Reineck stelt in[10] dat de grenswaarde > 30? alleen voortkomt uit degewenste, grotere robuustheid van nieuwe constructies envergeleken met experimentele resultaten tot niet-economischeontwerpen kan leiden. Daarom is besloten bij het toetsen vanbestaande bruggen de oude voorwaarde > 21,8? opnieuw tethemaToetsen bestaande bruggen4201366uit, dat deze kan leiden tot een significante reductie van devereiste versterkingsmaatregelen en een meer realistische voor-spelling van de dwarskrachtweerstand geeft. Analyse en evalu-atie van testresultaten wijzen uit dat verdere aanpassing moge-lijk is. Afgezien van het bepalen van de dwarskrachtweerstand,worden ook aangepaste modellen voor het ponsdraagvermogenen belastingen nabij de opleggingen van platen ontwikkeld.Het beschrijven van de belastingen op secundaire wegen doorhet gebruik van gedateerde belastingsmodellen voor wegver-keer is slechts een tijdelijke maatregel. Het voornemen is demodellen te ontlenen aan degene opgenomen in EN 1992-2,maar daar wel een reductie op toe te passen. Aan het einde van die testfase, naar verwachting eind 2013, iseen tweede uitgave van de richtlijn voorzien. Dan wordt ookeen uitgebreid document met achtergrondinformatie gepubli-ceerd. De tweede uitgave is beoogd aan te sluiten opEN 1992-2; niet op DIN-Fachbericht 102 zoals nu nog het gevalis. In die uitgave worden ook verificatiemodellen opgenomendie worden afgeleid van onderzoek dat momenteel nog inuitvoering is.Een belangrijk aandachtsgebied is het correct vaststellen van dedwarskrachtweerstand van voorgespannen balken met, volgensde huidige voorschriften, te weinig dwarskrachtwapening. Deeerste toepassingen van een aangepaste rekenmethode wijzen LIteratuur1 Bundesministerium f?r Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Richtliniezur Nachrechnung von Stra?enbr?cken im Bestand, www.bast.de,maart 2011.2 Marzahn, G., Goj, K., Benning, H.,Mertzsch, O., Richtlinie zur Nachrech-nung von Stra?enbr?cken im Bestand ? Veranlassung undGrunds?tze, Der Bauingenieur 87, januari 2012, pp 1-9.3 Zilch, K., Schnell, J., Dunkelberg, D., Loch M., Erl?uterungen undHintergr?nde zu den Werkstoffkennwerten der Nachrechnungsricht-linie f?r bestehende Stra?enbr?cken aus Beton, Der Bauingenieur 87,januari 2012, pp 15-23.4 Zilch, K., Hegger, J., Maurer, R., Dunkelberg, D., et al., Erl?uterungenund Hintergr?nde zur Nachrechnungsrichtlinie ? Betonbr?cken, DerBauingenieur 87, januari 2012,5 Deutsches Institut f?r Normung E.V. (DIN), DIN-Fachbericht 101:Einwirkungen auf Br?cken, Beuth Verlag, Berlijn, 2009.6 Freundt, U., B?ning, S, Kaschner, R., Einwirkungen aus Stra?enverkehrf?r Bestandsbr?cken, Der Bauingenieur 87, januari 2012, pp 10-14.7 Deutsches Institut f?r Normung E.V. (DIN), DIN 1076: Ingenieurbau-werke im Zuge von Stra?en und Wegen ? ?berwachung undPr?fung, Beuth Verlag, Berlin, 1999.8 Deutsches Institut f?r Normung E.V. (DIN), DIN-Fachbericht 102:Betonbr?cken: Concrete bridges), Beuth Verlag, Berlin, 2010.9 Deutsches Institut f?r Normung E.V. (DIN), DIN 4227: Spannbeton ?Bauteile aus Normalbeton mit beschr?nkter oder voller Vorspan-nung, Beuth Verlag, Berlin, 1988.10Reineck, K.-H., Hintergr?nde zur Querkraftbemessung in DIN 1045-1f?r Bauteile aus Konstruktionsbeton mit Querkraftbewehrung, DerBauingenieur 76, april 2001, pp.168-179.11Deutsches Institut f?r Normung E.V. (DIN), DIN EN 1992-1-1/NA:German National Annex - Nationally determined parameters -Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rulesand rules for buildings, Beuth Verlag, Berlin, 2011.12Maurer, R., Zilch, K., Dunkelberg, D., Kolodziejczyk, A., Konzeption zurNachrechnung bestehender Stra?enbr?cken, Berichte derBundesanstalt f?r Stra?enwesen, Br?cken- und Ingenieurbau,Heft B 83, Bergisch-Gladbach, 2011.6 A1 Kirchwegdurchlassfoto: Stra?en.NRW,www.strassen.nrw.de