themaIntelligente betonconstructies8200834themaIntelligentebetonconstructiesWe schrijven 2068. De eersteconstructie wordt geslooptwaarin de elektronica van rondde eeuwwisseling zit. Met verba-zing wordt het werk stilgelegd.Paniek in de tent, want watvinden we nu? Een zwart doosjemet draadjes. Is dat wel gezonden wat gebeurt er als we eraankomen? Nadat in het systeem(internet is allang verleden tijd) isgekeken wat er aan de hand is,wordt er hard gelachen om denogal onhandige eerste pogin-gen om aan beton van de vorigeeeuw te meten.CUR-commissie inventariseert kansen en mogelijkhedenIntelligente betonconstructies 82008 351Stilstaand bij 60 jaar Cement willen we een beeld schetsen vande industri?le ontwikkelingen van beton(-mortel). Feit is dat erin essenti?le zin aan de samenstelling van beton nog niet veel isveranderd. Hooguit een afname van het aandeel cement en eentoename van gerecycled granulaat. Maar de samenstellingbestaat nog steeds uit de bekende basiselementen cement, zand,grind en water.Met lichte jaloezie zien we in de elektronicabranche dat hetdigitale tijdperk al jaren functioneert. Duidelijk zichtbareveranderingen van LP naar CD en van film naar VHS enuiteindelijk naar DVD en Blue-ray. Gevolgen hiervan zijn datapparaten bedrijfszekerder en compacter zijn geworden. Demicrochip heeft de plaats ingenomen van mega condensatorenen mechanisch-elektrische contacten. Waar we vroeger metgrote kasten rondliepen, zit al deze apparatuur nu in een kleinkastje met afstandbediening.Intelligent betonMaar hoe zit het met beton? Zien we toepassingen van nieuwetechnieken die een toegevoegde waarde aan beton hebbengegeven? Technieken die beton wellicht kwalitatief beter ofgoedkoper maken of die het mogelijk maken een indicatie tegeven van de conditie?Gelukkig is in uiteenlopende disciplines onderzocht of hetintelligent maken van beton de moeite waard is. De pre-advies-commissie PC-158 van CURNET `Intelligente Betonconstruc-ties' is gevraagd de kansen en mogelijkheden te inventariserenrond het thema intelligente betonconstructies en op basishiervan een advies te geven. Ook is van diverse techniekenonderzocht of ze zich lenen voor toepassing in beton. Al tienjaar geleden is een chip ontwikkeld die op elk gewenst momentgegevens (over de rijpheid) van het beton kan doorseinen.Maar waarom is het nooit veel verder gekomen dan ontwikke-ling? Bekend is dat de betonbranche conservatief is en huiverigvoor vernieuwing. Maar daarmee lopen we besparingen mis.Want als je meer zou weten over het gedrag van beton in de tijdonder uiteenlopende condities, kan dat leiden tot een reductievan de ontwerpdimensies en/of een betere timing van renovatieof reparatie. Vast staat dat daarmee de life-cycle kostenaanzienlijk kunnen worden verlaagd. Het ontwikkelen van ditsegment wordt onder meer gestimuleerd vanuit de CUR.dr.ir. Ton van Beek enJohn ClementVOBN1 Dankzij intelligent beton kanmet lagere veiligheidsfactorenworden gerekend en dusslanker worden gebouwdthemaIntelligente betonconstructies820083623Het expliciet maken van de actuele constructieveveiligheidHierbij valt te denken aan systemen die waarschuwen wanneeronverwachte of moeilijk vooraf vast te stellen belastingenoptreden. Te denken valt aan gebieden met hoge, moeilijk in teschatten zettingen, aardbevingen, wind en/of overstromingen.Het expliciet maken van de constructieve veiligheid naarhet einde van de levensduurToe te passen bij constructies waarvan de constructieve levens-duur op lange termijn moeilijk is in te schatten. Bijvoorbeelddoor aantasting van de materialen in de constructie in eenagressieve omgeving, wanneer de materiaaleigenschappenveranderen door (herhaalde) belastingen of wanneer de omge-ving sterk verandert.Rationalisering van het onderhoudSystemen die aangeven en voorspellen wat de conditie van eenconstructie is en daardoor het onderhoud optimaliseren intermen van life-cycle kosten, beschikbaarheid en betrouwbaar-heid. Inspecties en controles worden hierdoor doelgerichter enkunnen als gevolg daarvan minder frequent worden uitgevoerd.Rationaliseren productieSystemen die de productie effici?nter maken zonder dat dekwaliteit daaronder leidt. Dit geldt zowel in prefab als in giet-bouw. Te denken valt aan een systeem dat aangeeft wanneerkan worden ontkist, of zelfs een bekisting die zichzelf verwij-dert wanneer dat kan.De term `intelligente betonconstructies' is een containerbegrip;alles wat meer is dan een passieve constructie is intelligent.Toch zijn er verschillende niveaus in intelligente betoncon-structies te defini?ren. Om het begrip intelligente betoncon-structies wat duidelijker te krijgen, een werkdefinitie:"Intelligente betonconstructies zijn betonconstructies met eenadaptief vermogen: de constructie reageert in positieve zin opomstandigheden in de constructie of daarbuiten. De aanpassingmoet gevolgen hebben voor de betrouwbaarheid, of een economi-sche achtergrond hebben."Een belangrijke vraag is: waarom zitten wij te wachten op intel-ligente betonconstructies? Moet elke constructie intelligent zijnof is dit alleen nodig in specifieke gevallen? In de volgende geval-len kan extra intelligentie in elk geval een meerwaarde zijn.Intelligente betonconstructies 82008 37ActieOndernemen(A)Meten(M)Interpreteren(I)Modificeren(M)42 Consensor waarmee digitaal sterkteontwik-keling van beton kan worden gemeten3 `Dataverwerking in betonconstructies'4 Processen in intelligente betonconstructieMicroschaalMeten op microschaal tot enkele centimeters. Met microschaalwordt bedoeld: meten in de cementpasta tussen de cement- enof toeslagkorrels in. Hiervoor zijn microsensoren nodig. Dit ishet gebied waar de technologie nog het meest in de kinder-schoenen staat. Op dit niveau wordt het beton als heterogeenmateriaal beschouwd. Deze schaal valt samen met de micro-schaal modellen.Meten op materiaalniveauMeten van enkele centimeters tot 1 m. Het beton wordt hier alshomogeen materiaal beschouwd. De ondergrens houdt verbandmet de maximale korrelafmeting. Deze schaal valt samen metde meso- en macroschaal modellen.Meten op constructie-elementniveauOver grotere afstanden meten, zonder vaste bovengrens.Hierbij gaat het om het meten van bijvoorbeeld vervormingenvan delen van een constructie.Meten op constructieniveauHet meten van de reactie van de gehele constructie op eenbelasting van buitenaf. De verbindingen in een constructie zijnvaak bepalend voor het gedrag van die constructie. Het metenvan het gedrag van de verbinding zit op een lager niveau.De toekomst van intelligent betonDit meten met weten levert de betonindustrie ook nog wat op.Intelligente betonconstructies bieden de volgende mogelijkhe-den en kansen:? Door toepassen van intelligente betonconstructies ontstaat ermeer ruimte in de ontwerpfilosofie van betonconstructies. Zokunnen intelligente betonconstructies expliciet rekenen inplaats van impliciet rekenen mogelijk maken.? Door met lagere veiligheidsfactoren te rekenen kunnenbetonconstructies slanker worden ontworpen, wat materiaal-besparing oplevert. De intelligentie van de betonconstructiecompenseert de lagere veiligheidsfactoren.? Onderhoud van betonconstructies en daaruit voortvloeiendekosten ten gevolge van verminderde beschikbaarheid enbetrouwbaarheid, maken een groot deel uit van de life-cyclekosten van betonconstructies. Door betonconstructies intel-ligent te maken is het mogelijk het onderhouden en inspecte-ren te rationaliseren en mede daardoor het onderhoud teoptimaliseren en de life-cycle kosten te minimaliseren.Meten is nog geen wetenEr zijn sensoren genoeg die een schat aan informatie kunnengeven over de constructie. Maar wat doen we vervolgens metdeze gegevens? Intelligent zijn is dus meer dan meten alleen.Ter verduidelijking van wat onder het begrip intelligentie wordtverstaan, defini?ren we de processen die zich in een intelligentebetonconstructie afspelen. Deze processen geven de constructiehet adaptief vermogen; de constructie kan zich aanpassen aande omstandigheden wanneer dit nodig is. In een intelligentebetonconstructie spelen zich de processen af zoals geschetst infiguur 4.In grote lijnen zijn er drie aspecten te noemen waarop eenintelligente betonconstructie reageert. Het doel en de te gebrui-ken hardware voor de artifici?le vorm hangen nauw samen metdeze aspecten.Mechanisch gedrag: het meten van vervormingen en/ofspanningenDit is het meest toegepaste principe voor wat in de literatuureen intelligente constructie wordt genoemd. Via een of meertypen sensoren worden veranderingen in dimensies geregis-treerd.Condities: het meten van de conditie waarin eenmateriaal zich bevindtDe condities in het materiaal bepalen hoe het materiaal zichgedraagt of in de toekomst zal gedragen. Hierbij valt te denkenaan het meten van bijvoorbeeld chloridenconcentraties of afge-leiden daarvan, zoals de elektrische weerstand in het beton.Schade: het meten van schadeHet ontstaan en het volgen van de schade wordt gemeten.Hierbij valt te denken aan het meten van de scheurwijdte ofcorrosie van de wapening.SchaalniveausAfhankelijk van het doel, zal een meting op een bepaald schaal-niveau plaatshebben. Willen we dat een chemische reactieontstaat om bacteri?n te activeren, dan meten we op microni-veau. Willen we een brug sluiten bij overbelasting, dan metenwe op constructieniveau. Zo heeft elke actie zijn schaalniveau.themaIntelligente betonconstructies385.0 0,0280,0300,0320,0340,0360,0380,0400,0420,0440,0460,0480,0500,0520,0540,0560,05800.0002.005,56,06,57,07,58,08,59,004.0006.0008.00100012.0014.0016.0018.0020.0022.0000.00temperatuurdiktetijdtemperatuur(?C)dikte(mm)56? Het intelligent maken van constructies verbetert het imagovan de constructiesector. Het geeft de industrie een innova-tief karakter.? Intelligente betonconstructies leiden tot een kennisimpuls,die weer tot betere prestaties en het oplossen van maatschap-pelijke vraagstukken leidt.? De ontvankelijkheid en het bewustzijn van de sector metbetrekking tot nieuwe ontwikkelingen en technologie?nzullen toenemen.? Dode data (metingen waarmee nu weinig gebeurt) wordenomgezet naar kennis. Wellicht is dit een goed verschil tussenhet klassieke monitoren en intelligente constructies.? Bij het vertalen van data naar informatie worden modellengebruikt en wellicht aangepast. Hierdoor neemt onze kennistoe.`Intelligente betonconstructies' is een naam die hoge verwach-tingen oproept. Daarin zit het risico dat deze verwachtingenniet kunnen worden waargemaakt. Kijkend naar de auto-indu-strie: daar wordt ook niet gesproken over intelligente auto's,maar over veilige auto's. Blijkbaar kun je beter over het beoogdedoel spreken. Voor betonconstructies kom je dan op termen als`self healing materials', `trillingdempende constructies' en`betonrijpheidindicatie'.Ten slotteIntelligentie krijgen we niet zomaar. Voor het imago van debouw, maar ook voor de bedrijfsvoering en het kennisniveau inde bouw, is het een gemiste kans wanneer de mogelijkhedenvan de nieuw opkomende technologie?n niet worden verkenden uitgedragen. De commissie adviseert dan ook een vervolg-commissie in te stellen met als taak:"Demonstreer de mogelijkheden van intelligente betonconstruc-ties met nieuw opkomende technologie?n op het gebied vansensoring."Deze taak geeft al aan dat de betonindustrie over 60 jaar eenmoderne industrie is. ? De faalkosten dalen. Bij intelligente betonconstructiesworden (aankomende) schades, fouten en gebreken vroegtij-dig gesignaleerd, zodat tijdig maatregelen kunnen wordengenomen of deze gebreken kunnen worden verhinderd.? Met intelligente betonconstructies kunnen verwachtingenworden getoetst die op basis van voorspellende rekenmetho-den zijn gedaan. `Observational methods' zoals in de geotech-niek gebruikelijk, kunnen worden toegepast.? Voor bestaande betonconstructies kunnen door het metenvan vervormingen en belastingen, bestaande, volgens dehuidige inzichten ondergedimensioneerde constructies,worden gemonitoord.En bij deze kansen alleen blijft het niet. De gehele betonsectorwordt er een stuk intelligenter op. Want wanneer intelligentebetonconstructies worden toegepast ziet de CUR-commissie devolgende gevolgen:5 Sensor in beton6 Voorbeeld van data verkregen bij het monitoringsproject inde Kennedybrug in de A59, beschikbaar via internet. Hier zijnweergegeven de temperatuur en de expansie