Barsten in de brug

Wham, wham, wham… Een hydraulische cilinder gaat op en neer in het Stevin II lab bij de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen (CiTG). Hij deelt klappen uit van 140 kiloNewton, het gewicht van twee volwassen olifanten. Tien miljoen slagen heeft de vuist in twee maanden tijd uitgedeeld aan een grote onderliggende stalen plaat. Zijn bokshandschoen is een stuk vrachtwagenband. Het geheel zit met enorme bouten en moeren bevestigd aan een stalen stellage. De tijdelijke opstelling heeft wat weg van een speelgoed meccanoconstructie, maar dan duizend keer uitvergroot.

De onderliggende plaat is de dekplaat van een brug. Hij is aan de onderkant voorzien van troggen in de lengterichting en van dwarsdragers die daar loodrecht op staan. Het is wat je dikwijls ziet als je voor een open brug staat. Dr. Henk Kolstein, sectieleider van de groep gebouwen en civieltechnische constructies (CiTG) en hoofd van het Macrolab in het Stevin II laboratorium, is de brug in opdracht van Rijkswaterstaat aan het slopen. En dat lukt aardig. De plaat begint scheurtjes te vertonen. “Alles krijgen we hier stuk”, lacht hij. “De uitdaging is om het zo realistisch mogelijk te doen.”

Doel van de exercitie is achterhalen hoeveel vrachtwagens met een bepaald gewicht over de brug kunnen rijden voordat vermoeiing van de gelaste verbindingen in de constructie optreedt. Veertien grote stalen bruggen in Nederland kampen met dit probleem en worden gerenoveerd. In de bruggen zijn op tal van plekken scheurtjes ontstaan, vooral in de lassen tussen de dekplaat en de onderliggende constructie, daar waar de dwarsdrager en trogligger elkaar kruisen bijvoorbeeld. Bruggen als de Van Brienenoordbrug, de Galecopperbrug en de Moerdijkbrug – cruciaal voor het verkeer in Nederland – blijken de enorm toegenomen stroom aan vrachtwagens niet meer aan te kunnen. De meesten zijn gebouwd in de jaren zeventig, in rustiger tijden.

Dekplaten
Rijkswaterstaat wil dezelfde fout niet nog eens maken. Nieuwe bruggen zal de dienst vanaf nu waarschijnlijk laten bouwen met dekplaten die bijna twee keer dikker zijn; 18 millimeter in plaats van 1 centimeter. En ze worden steviger aan elkaar gelast. Precies zo’n constructie, met een extra dikke dekplaat, heeft Kolstein in zijn lab liggen. Over de resultaten van dit onderzoek kan hij nog niet veel kwijt. De brug is aanzienlijk sterker dan zijn oudere broertjes, zoveel is duidelijk. De schade na tien miljoen klappen is met het blote oog niet te zien.

“Ik weet dat er scheurtjes zitten binnenin de constructie”, zegt Kolstein. “Met rekstrookjes meet ik de spanning in de staalplaat. De metingen laten zien dat de spanning dicht bij de landingsplek van de hydraulische cilinder minder wordt en dat hij iets verderop juist toeneemt. Er is dus een herverdeling van de spanning. Dat wijst op scheurtjes.”

Over de dekplaat loopt een wirwar aan gekleurde draadjes. Ze verbinden de rekstrookjes van slechts enkele millimeter lang met een computer. In 2010 deed Kolstein vergelijkbare rekmetingen aan de Galecopperbrug, een brug die nu wordt gerenoveerd. Hij mat toen op maar liefst honderdvijftig punten; bij de tuien, de dekplaten, de dwarsdragers, hoofdliggers en de trogvormige verstijvingen. Tien kilometer kabel was nodig om al deze punten met de meetcomputer te verbinden.

Binnenkort komt iemand in het Delftse laboratorium het brugonderdeel van Rijkswaterstaat met een echoapparaat ultrasoon doorlichten(met een zogenaamde time-of-flight diffraction-techniek) om de minuscule scheurtjes in beeld te brengen.

“We willen de vermoeiingscurve van de lasverbindingen vaststellen”, vervolgt de bruggenexpert, die op zoek is naar een promovendus om het project met de dikke dekplaat voort te zetten. “Dat is een grafiek die de relatie toont tussen de spanningen in het wegdek en de mate van vermoeiing. Deze grafiek hebben we nodig om de juiste dimensionering van de constructie vast te stellen. Rijkswaterstaat heeft nu ingezet op een dekplaat van 18 tot 20 millimeter dik. Wij moeten vaststellen of dit een goede keuze is.”

Staalschaarste
Kolsteins interesse in het fenomeen vermoeiing bij stalen bruggen gaat terug tot begin jaren zeventig. Toen speelde de problematiek van scheurende stalen orthotrope bruggen gek genoeg helemaal niet.

Orthotrope bruggen zijn bruggen waarin relatief weinig staal verwerkt zit. Dankzij een elegante constructie met troggen en dwarsdragers zijn ze toch stevig. Ze zijn vlak na de Tweede Wereldoorlog ontworpen door Duitse ingenieurs als antwoord op staalschaarste. In de decennia daarna werden ze wereldwijd massaal gebouwd, waaronder tientallen in Nederland.

“Begin jaren zeventig werd ik als 19-jarige laboratoriummedewerker in dienst genomen door staalhoogleraar Ko de Back”, memoreert Kolstein. “Hij is de grondlegger van het vermoeiingsonderzoek en was mijn leermeester. In de loop van de jaren ben ik doorgegroeid tot associate professor, wat toch wel bijzonder is.”

“Een groot Europees onderzoek naar bruggen startte net toen ik in 1971 bij De Back kwam werken. Een directe aanleiding was er niet, anders dan dat we inzicht wilden verkrijgen in het fenomeen vermoeiing bij stalen bruggen. Die discipline stond in de kinderschoenen. We begonnen met een brug bij de Haagsche Schouw. Daarna maten we ook de brug bij Rheden en bij Leiderdorp door. We gingen met grote vrachtwagens op de bruggen staan en maten hoe ver ze doorbogen en wat voor spanningen er in optraden.”

De bruggen waren ontworpen om zeker honderd jaar mee te gaan. De onderzoekers concludeerden al snel dat ze deze leeftijd niet probleemloos zouden halen. “Rijkswaterstaat wilde het niet horen. ‘Jullie zijn veel te conservatief met jullie metingen’, riepen ze. Eind jaren tachtig verschenen de eerste scheuren. Bij de basculebrug van de tweede Van Brienenoordbrug waren ze het duidelijkst. Daarin ontstonden barsten van enkele centimeters lang in de dekplaten. Bij elke dwarsdrager zaten scheuren. Er brak paniek uit.”

Oplappen
Konden de bruggen opgelapt worden? Een Delfts onderzoeksprogramma dat in december 1999 startte moest antwoord geven op deze vraag. Twee leerstoelen van CiTG deden mee; steel structures en road engineering. Het project, onder leiding van Kolstein, leidde tot tientallen publicaties en vijf proefschriften.

Kolstein wil het proefschrift van dr.ir. Peter de Jong uitlichten. Uit zijn onderzoek, verdedigd in 2007, bleek dat de bruggen het beste gerenoveerd konden worden door het laagje asfalt dat op de deklagen ligt te vervangen met een laag hogesterkte beton. De Jong voerde vermoeiingsproeven uit op testpanelen. Tijdens deze experimenten bootste hij ruim een halve eeuw aan vrachtverkeer op de Moerdijkbrug na.

“De Jong heeft laten zien dat asfalt de wielbelasting op het wegdek maar beperkt verspreidt”, vertelt Kolstein, staande voor een poster van de onderzoeksbevindingen. “Asfalt is net kauwgom. In de zomer is het slap en reduceert het nauwelijks de spanningen in het stalen dek. Door het asfalt te vervangen met een zes à zeven centimeter dikke laag hogesterkte beton verminderen de spanningen met tachtig procent. Bij een aantal bruggen is dit al gedaan; bij de Moerdijkbrug, de Hagesteinbrug, en de brug bij Muiden. Die kunnen weer minimaal dertig jaar mee.”

Kolstein roept al jaren dat het nodig is, en nu, twee jaar voor zijn pensionering, vindt de apotheose plaats: Rijkswaterstaat is de bruggen aan het versterken. “Het is prettig om te zien dat het onderzoek niet voor niets is geweest. We hebben laten zien dat de bruggen niet vervangen hoeven te worden, maar dat ze tegen veel lagere kosten kunnen worden gerenoveerd.”

Elders in de wereld kampen wegbeheerders met dezelfde problemen. “In China wordt het probleem heel actueel. Ik krijg veel uitnodigingen om daar te komen praten. Nederland is een van de weinige landen met expertise op dit gebied.”