Het maximaliseren van de levensduur van bestaande bruggen in het wegennet vraagt om heldere en efficiënte rekenmethoden, waarmee constructeurs de constructieve veiligheid kunnen beoordelen. Op de EPFL is een methode ontwikkeld 'Verificatie van betonconstructies' op basis van directe registratie van de invloeden van belastingen. Een van de resultaten was een aantal metingen aan een voorgespannen brug in een snelweg in Zwitserland. Deze brug is voorzien van een systeem dat de constructieve toestand monitort, het zogeheten structural health monitoring (SHM) systeem. Auteurs:Mark Treacy MSc, Prof. Dr. Eugen Brühwiler (École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL))
themaMonitoring verkeersbelasting4201322themaMonitoringverkeersbelastingHet maximaliseren van de levensduur van bestaandebruggen in het wegennet vraagt om heldere eneffici?nte rekenmethoden, waarmee constructeurs deconstructieve veiligheid kunnen beoordelen. Op deEPFL is een methode ontwikkeld, genaamd `Verificatievan betonconstructies', op basis van directe registratievan de invloeden van belastingen. Een van deresultaten was een aantal metingen aan eenvoorgespannen brug in een snelweg in Zwitserland.Deze brug is voorzien van een systeem dat deconstructieve toestand monitort, het zogehetenstructural health monitoring (SHM) systeem.1Extreme belastingen op betonnen bruggenIABSE-congres 2013Dit artikel is gebaseerd op de paper`Extreme actioneffects in reinforced concrete bridges from monito-ring'van het IABSE-congres 2013 dat in mei inRotterdam plaatsvond. Het artikel is speciaal voorCement bewerkt door Ren? Braam.Monitoring verkeersbelasting 42013 23richting Gen?ve35,000 35,00039,0001 2be?nstrumenteerde wapeningsstavenA22,900richting Lausanneonderzochtekokerligger Aopslagmeetgegevensoverspanning 1 overspanning 2 overspanning 3560 mmx xx = 450 mmzwaartelijndwarsdoorsnedemidden van de overspanningS2aS2bS2cS1aSL1S1cSL2S1bGen?veLausannedwarswapeningsstaaf(onder in de doorsnede)langswapeningsstaaf(onder in de doorsnede)De recente decennia is de omvang van het zware wegtransportbinnen Europa in sterke mate gegroeid. Ter illustratie: van 1995tot 2009 is het vrachttransport in de EU-27-zone uitgedrukt intonkilometers met 31,2% toegenomen [1]. In veel anderelanden is dezelfde trend waar te nemen. Een dergelijk percen-tage lijkt op het eerste gezicht alarmerend. Maar wat betekenthet concreet voor bestaande bruggen met betrekking totconstructieve veiligheid en vermoeiing? Het antwoord moetvolgen uit de belastingseffecten op de constructiedelen en nietzozeer uit het aantal zware voertuigen dat de belastingenveroorzaakt. Verificatiemethoden waarin de geregistreerdebelastingsinvloeden zijn inbegrepen (bijv. rek, verplaatsing,scheurwijdte, versnelling) kunnen ten opzichte van analysesmet geactualiseerde belastingsmodellen aanleiding geven tothet nemen van minder conservatieve beslissingen. Dat kanmogelijk voorkomen dat onnodig kostbare ingrepen plaatsvin-den. Aanvullend op het wegnemen van onzekerheid over deverkeersbelasting, kan directe monitoring van een brug onze-kerheden over dynamische en omgevingsinvloeden reduceren.Dat geldt in het bijzonder voor temperatuursinvloeden diealtijd zijn inbegrepen in de registraties.Dit artikel beschrijft de resultaten van een lopend onderzoekaan een kokerliggerbrug in Zwitserland. Beoogd is het lange-duurgedrag van het rijdek onder verkeersbelasting en omge-vingsinvloeden met behulp van monitoring te beschrijven. Deaandacht gaat uit naar de bovenflens die de lokale invloedenvan alle zware aslasten op elementniveau ondergaat. In ditgeval hebben die invloeden betrekking op het betonstaal.Eerst wordt beschreven welke overwegingen ten grondslaghebben gelegen aan de ontwikkeling van het monitoringsys-teem. Daarna wordt onderzocht hoe extreme verkeersbelastin-gen uitwerken in een aantal staven betonstaal in de bovenflensdie zijn voorzien van rekstrookjes. Beoordelingsmethodenvragen om de karakteristieke grootte van de belastingen binneneen zekere herhalingstijd. De UGT-verificatie vraagt dan ookom een extrapolatie van geregistreerde effecten (hier: de staal-rek) tot karakteristieke waarden. Daarbij speelt ook de invloedvan de registratieduur een rol.Directe monitoring invloed belastingseffecten opeen brugLangeduurmonitoringIn de literatuur wordt veel aandacht besteed aan simulaties metgeregistreerde verkeersbelastingen waarmee de extreme belas-tingseffecten worden berekend. Er is veel minder aandachtvoor continue registraties van belastingseffecten zelf. Siegerte.a. [2] registreerden gedurende 100 dagen de effecten in eenvoorgespannen betonbrug met een herhalingstijd van 120 s. Deextremen per week werden gebruikt om een extreme waarde tebepalen. Pircher e.a. [3] beschreven studies aan drie voorge-spannen betonbruggen. De aandacht ging uit naar vermoei-ingsschade. De registraties duurden minimaal acht weken. Integenstelling tot de voorgaand beschreven studies, heeft de hierbeschreven studie betrekking op registraties over minimaal200 dagen. Tevens is continu en met een hoge frequentiegemeten, zodat alle verkeer op de brug is inbegrepen. Tot eenpaar jaar geleden waren zulke registraties niet mogelijk; desystemen voor opslag van gegevens hadden een te beperktecapaciteit.Casestudy monitoring projectDe Morges brug (foto 1) is een 110,5 m lange brug met drieoverspanningen. Deze dubbele kokerliggerbrug is gebouwd in1963 en bevindt zich tussen Gen?ve en Lausanne in de Zwit-serse snelweg A1. De brug wordt per dag door circa 70 000voertuigen gebruikt. In 2011 is een monitoringsysteem aange-Mark Treacy MSc,Prof. Dr. Eugen Br?hwiler?cole Polytechnique F?d?ralede Lausanne (EPFL)1 Morges snelwegbrug, A1 Zwitserland2 Plattegrond van de brug3 Schematische 3D-weergave van de staven betonstaal met posities van derekstrookjes2 3themaMonitoring verkeersbelasting42013240 0.4 0.8 1.2 1.60510152025tijd [s]rekverandering[?m/m]S2a-modS2a-meas4654 Belastingtest5 Analyses met ANSYS6 Vergelijking van de registratie en de analyse voor een dwarsstaaf bij hetpasseren van het testvoertuigden zich aan de onderzijde van de bovenflens. De locaties vande rekstrookjes op de dwarsstaven (S1a tot S2c) zijn getoond infiguur 3. Deze rekstrookjes registreren de rekken door eenpositief buigend moment in dwarsrichting van de brug. Degrootte van dat moment is afhankelijk van de positie in dwars-richting van een voertuig. De rekstrookjes zijn aangebrachtnadat de betondekking op de staven plaatselijk was verwijderd.De langeduurmonitoring is gestart in februari 2012 en de over200 dagen verzamelde gegevens worden in dit artikel geanaly-seerd. De meetfrequentie is 50 Hz en is 22 uur per dag uitge-voerd. Slechts tussen 23:00 en 01:00 uur is niet geregistreerd.bracht. Het systeem is uitvoering beschreven in [4]. Hetsysteem omvat rekstrookjes op het ongescheurde betonopper-vlak en betonstaal, thermokoppels en versnellingsopnemers. Indit artikel wordt alleen ingegaan op de directe registraties vande effecten van belastingen, in het bijzonder op de rek in vierstaven betonstaal in de bovenflens van de brug.De twee kokerliggers (??n per rijrichting) zijn identiek en vanelkaar gescheiden. Daarom is slechts een van de liggers gemo-nitord (fig. 2). Twee staven ?10 mm in dwarsrichting (S1 enS2; fig. 3) en twee staven ?12 mm in langsrichting (SL1 en SL2;fig. 3) zijn van meetinstrumenten voorzien. De staven bevin-Monitoring verkeersbelasting 42013 252.45 2.7 2.95 3.2051015202530200 Hz150 Hz100 Hz50 Hz25 Hztijd [s]rekverandering[?m/m]0 40 80 120 160 200020406080100120140tijd [dagen]S1aS2aS1bS2bS1cS2ccum.max.rekverandering[?m/m]0 30 60 90 120 150 180 210-60-40-200204060SL1-SL2-SL1+SL2+tijd [dagen]cum.max.rekverandering[?m/m]rekverandering[?m/m]tijd [s]01:00 uur0 20000 40000 60000 8000023:00 uurverkeer (S1b)temp. (S1b)80604020079a89b7 Hetzelfde belastingsgeval beschreven met verschillende meetfrequenties(25 ? 200 Hz)8 Geregistreerde rek in een dwarsstaaf over een 24-uursmeetperiode9 Cumulatieve, maximale rekverandering in dwars- (a) en langsstaven (b)wagen van 85 km/u. Een meetfrequentie van 25 Hz volstaat omde rekveranderingen voldoende nauwkeurig weer te geven.Decompositie thermische en verkeersinvloedenDe temperatuur is een belangrijk belastingsgeval met dagelijks`golvende' invloeden door opwarmen en afkoelen. Die invloe-den worden meegenomen in het reksignaal en moeten wordenverwijderd door het originele signaal te bewerken. Daartoewordt een individueel meetresultaat gecorrigeerd, gebruikma-kend van een aantal voorgaande en navolgende resultaten [6](fig. 8). De invloed van het wegverkeer blijft over als de bere-kende `temperatuursgolf' in mindering wordt gebracht op hetoriginele signaal.Duur monitoringDe duur van de monitoring is een belangrijke beslissing bij hetdoel vermoeiingsschade of extreme gebeurtenissen nauwkeurigte beschrijven. Hoe meer gegevens hoe beter, maar vaak moeteen praktische grenswaarde worden gekozen. Maljaars e.a. [7]stellen dat een periode van drie weken buiten de vakantieperi-ode een representatieve verdeling van het wegverkeer voor hetgehele jaar levert.Kalibreren en testen systeemKalibratie vond plaats door een aantal proefbelastingen.Daartoe is een vijfassige 60 ton zware kraan met verschillendesnelheden op verschillende dwarsposities over de brug gereden(foto 6). Analyses met het eindige-elementenpakket ANSYSzijn ter controle uitgevoerd (fig. 4). Goede overeenstemmingtussen registratie en analyses is bereikt (fig. 5).Keuze meetfrequentieOm te voorkomen dat te weinig registraties worden gedaan, moeteen voldoende grote meetfrequentie worden gekozen. Eencontinu signaal dat wordt geregistreerd in een aantal discretetijdsintervallen met een constant interval t, is niet in staat nauw-keurig een gebeurtenis te beschrijven die plaatsvindt met eenfrequentie groter dan de Nyquist-frequentie(fN= 1 / (0,5 t)). Om een oorspronkelijk signaal perfect tekunnen reconstrueren, is dus een meetfrequentie benodigd dieminimaal tweemaal de Nyquist-frequentie is [5]. De meetfre-quentie is experimenteel bepaald. Daartoe is een geleidelijkeverlaging van de meetfrequentie doorgevoerd en is de afname vande kwaliteit van het meetsignaal beoordeeld. Zie figuur 7 voorregistraties aan een dwarsstaaf en een rijsnelheid van de vracht-themaMonitoring verkeersbelasting4201326S1aS2a S1b S2b S1cS2cdagelijkse max. rekverandering [?m/m]0 20 40 60 80 100 120 140-20246SEV=ln(-ln(i)0 50 100 15000.20.40.60.81cum.onderschrijdingskansGEV S1aempirisch S1aGEV S1bempirisch S1bGEV S1cempirisch S1c25 75 125dagelijkse max. rekverandering [?m/m]100 1200 20 40 60 8002468101215 dagen30 dagen60 dagen90 dagen120 dagen200 dagen75 jaar herhalingstijd-2-4+42%dagelijks maximale rekverandering [?m/m]SEV=ln(-ln(i)10a10b1110 GEV-benadering en meetresultaten voor de twee dwarsstaven (S1 & S2) (a)en de cumulatieve onderschrijdingskans voor een dwarsstaaf (S1) (b)11 Extrapolatie van meetgegevens naar een herhalingstijd van 75 jaar (S1b)12 Morges snelwegbrug, A1 Zwitserland13 Dagelijkse maximale rekveranderingen op werkdagen (x) en in weekenden(?) (a) en de invloed van de weekenden en zondagen op de extrapolatienaar 75 jaar herhalingstijd (resultaten voor positie a op dwarsstaaf S1) (b)Extrapolatie van meetgegevensDe meetgegevens worden ge?xtrapoleerd naar een karakteris-tieke waarde voor het verkeerseffect met een herhalingstijd van75 jaar. Figuur 10 toont het resultaat nadat de dagelijks maxi-male meetresultaten zijn beschreven met een extreme waarde-verdeling (GEV = generalised extreme value).Figuur 11 toont extreme waardevoorspellingen voor diverselengten van de registratieperiode (tot 200 dagen). Zoals te zien,wordt de extrapolatie van dagelijkse maximumwaarden voor dedwarsstaven sterk be?nvloed door de lengte van de registratie-periode. De registratieperiode wordt momenteel nog verderverlengd, zodat hier nader onderzoek naar kan worden gedaan.Bij onderzoek naar extreme belastingen op bruggen kunnen deweekenden de resultaten significant be?nvloeden. Dat is toe teschrijven aan het dan geringe vrachtverkeer. Die be?nvloedingwordt vaak vermeden door een zogenaamd `economisch jaar' tehanteren, een jaar met 250 dagen [8]. Het kan echter belangrijkzijn de weekenden juist wel mee te nemen. Het volume van hetvrachtverkeer is dan wel beperkt, maar bijzondere, grote belas-tingen kunnen een zeer grote invloed hebben op de voorspelde,extreme waarden. Ter illustratie wordt gewezen op figuur 13awaarin dag 73 een zondag is. Een enkele gebeurtenis op die daggeeft aanleiding tot een grote rekverandering. De invloed diedit heeft op de voorspelde, extreme waarde bij 75 jaar herha-lingstijd komt duidelijk naar voren in figuur 13b; het al danniet meenemen van de weekenden of zondagen heeft groteinvloed op de voorspelde, maximale rekverandering. Debijzondere gebeurtenissen in weekenden zijn waarschijnlijk toete schrijven aan bijzondere voertuigen die toestemming krijgengebruik te maken van de weg in de relatief rustige weekenden.Resultaten en discussieDuur monitoringDe vereiste duur van monitoring van het effect van een belas-ting benodigd om stabiele, maximale waarden te verkrijgen, issterk afhankelijk van de ori?ntatie van het constructieonder-deel. Figuur 9 laat zien dat de maximaal dagelijks geregis-treerde rek voor onderdelen geori?nteerd in dwarsrichting (S1at.m. S2c; fig. 9a) veel langzamer een limietwaarde bereikt danvoor onderdelen geori?nteerd in langsrichting (SL1 en SL2;fig. 9b). Dertig meetdagen zijn vereist om stabiliteit in langs-richting te verkrijgen. Daarentegen wijst de registratie indwarsrichting zelfs na 185 dagen nog op een geleidelijketoename. Opgemerkt wordt dat de registraties in langsrichtingzowel positieve (trek) als negatieve (druk) rekveranderingenbevatten.De rekverandering in de dwarsstaven wordt vooral be?nvloeddoor de grootte van de aslast en de positie van de last indwarsrichting. Het gedrag in langsrichting daarentegenwordt vooral bepaald door het totale voertuiggewicht. Delaatstgenoemde leidt binnen een kortere periode tot eenstabiel resultaat.Monitoring verkeersbelasting 42013 27120 40 80 120 160 20020406080100120tijd (dagen)weekendendag 73werkdagendagelijksemax.rekverandering[?m/m]0 20 40 60 80 100 120024681012met weekendenzonder weekendenzonder zondagen75 jaar herhalingstijddagelijks maximale rekverandering [?m/m]SEV=ln(-ln(i)13a 13b LiTEraTuur1 European Commission, EU transportin figures, Statistical pocketbook,http://ec.europa.eu, 2011.2 Siegert, D., Estivin, M., Billo, J., Barin, FX.,Toutlemonde, F., Extreme Effects of theTraffic Loads on a prestressed ConcreteBridge, International conference onheavy vehicles, Paris, 2008.3 Pircher, M., Lechner, B., Mariani, O.,Kammersberger, A., Damage due toheavy traffic on three RC road bridges,Engineering structures, 2011, Vol. 33,No. 12.4 Treacy, M.A., Bruhwiler E., A monitoringsystem for determination of real deckslab behaviour in prestressed boxgirder bridges, IABMAS 2012 - 6thInternational Conference on BridgeMaintenance, Safety and Manage-ment, Stresa, Italy, 2012.5 Wenzel, H., Health monitoring ofbridges, John Wiley & Sons, WestSussex, 2009.6 National-Instruments, SmoothingFunctions, http://zone.ni.com, 2012.7 Maljaars, J., Steenbergen, R., Abspoel,L., Kolstein, H., Safety Assessment ofExisting Highway Bridges and Viaducts',Structural Engineering International,2012, Vol. 22, No. 1, pp. 112-120.8 Caprani, C.C., PhD Thesis, Probabilisticanalysis of highway bridge trafficloading, University College Dublin,2005, p 396.ConclusiesDe gepresenteerde langetermijnregistraties met hoge meet-frequentie geven uniek inzicht in het lokale constructiegedrag.De meetresultaten worden gecombineerd met extreme waarde-theorie?n, zodat een methodiek voor de beoordeling vanbestaande bruggen is op te stellen. Variatie in de duur van deregistratie geeft inzicht in de tijdsspanne die is vereist omstabiele meetgegevens te verkrijgen. Ook is aan te geven welkegevolgen dat heeft voor de voorspelde maximumwaarde.Aanvullend hebben het al dan niet registreren in de weeken-den en de ori?ntatie van de onderdelen grote invloed op hetresultaat. De beschreven techniek maakt het mogelijk eenprocedure van herbeoordeling op basis van meetgegevens opte zetten. Dat is noodzakelijk voor het behoud van hethuidige brugareaal.
Reacties