De vermoeidheid van stalen bruggen verlicht

Naast ons gaapt de diepte van de vermoeiingshal van het Stevin II laboratorium in het gebouw van Civiele Techniek van de Technische Universiteit Delft. In de reusachtige proefopstellingen beneden zetten hydraulische cilinders stalen platen onder wisselende druk. Met de persen, die met gemak een personenauto tot een schoenendoos zouden kunnen reduceren, test men stalen brugdekken op vermoeiing. ‘Dit is onze meccanodoos’, merkt Associate Professor dr. Henk Kolstein op als we naar zijn kamer lopen.
Daar liggen iets minder imposante proefstukjes staal, asfalt en beton, een stukje staal-op-staal en zo’n stukje met expoxyhars ertussen. Allemaal brugdekken op schaal, sommige al in de praktijk toegepast op de Moerdijkbrug in de A16 of de brug in de A27 bij Hagestein. Aan de muur hangt een krantenknipsel. Daarop staan de 15 locaties waar bruggen in rijkswegen tussen nu en 2020 door Rijkswaterstaat en TUDelft moeten worden versterkt wegens vermoeiing van het stalen dek. ‘Tot aan mijn pensioen weet ik dat er vraag zal blijven naar dit onderwerp,’ stelt Kolstein nuchter vast.

Wat is het probleem?

Stalen bruggen in Nederland komen sneller voor groot onderhoud in aanmerking dan verwacht. De levensduur van zo’n brugdek zou 100 tot 120 jaar moeten zijn. In de praktijk raakt het staal ‘vermoeid’ door een combinatie van toenemende verkeersintensiteit en locale wielbelastingen . De brugdekken krijgen na een jaar of dertig scheuren, met mogelijk levensgevaarlijke (verkeers)situaties tot gevolg.
Dat probleem werd pijnlijk zichtbaar toen in 1997 dit soort scheuren optraden in het wegdek van de basculebrug van de Tweede Van Brienenoordbrug, een brug van zeven jaar oud. Snelle renovatie was nodig. Rijkswaterstaat verving het “val”, het beweegbare gedeelte van de brug, door een nieuw wegdek.
Daarmee was het probleem van de snel slijtende stalen bruggen zichtbaar geworden, maar nog niet uit de wereld. Bij Rijkswaterstaat boog Peter de Jong zich in 2000 over dat vraagstuk. Samen met Henk Kolstein startte hij een STW-promotieproject om te kijken welke renovatietechnieken het best toegepast konden worden. Hij ontwikkelde een systeem dat de toestand en levensduur van een brug voorspelt; daarmee kan Rijkswaterstaat de juiste renovatiemaatregelen berekenen.

Hoge nood

De Jong zocht een computermodel om de toestand van een brug te beschrijven. Daarvoor gebruikte hij informatie over de leeftijd van de brug, zijn constructie en het verkeer dat eroverheen rijdt. Vervolgens ontwikkelde hij een techniek om door de asfaltlaag naar het onderliggende staal van een brug te kijken, om de scheuren te zien. Tenslotte testte hij op ware grootte gemaakte stukken brugdek in het laboratorium.
De proeven lieten zien dat een laagje van vijf centimeter hogesterktebeton, in combinatie met een dicht stalen vlechtwerk, de levensduur van een brug met dertig jaar kan verlengen. De nood bij Rijkswaterstaat was zo hoog dat De Jongs slijtlaag van hogesterktebeton meteen als proefproject bij de Calandbrug in Rotterdam werd gebruikt. Met succes.

Wat vond Rijkswaterstaat van de renovatie?

Kolstein: ‘Ze waren erg tevreden met dat proefproject op de Calandbrug in de Rotterdamse haven. Daardoor konden we doorgaan met de Moerdijkbrug. Het wegdek daarvan hebben we versterkt met een laagje van 5 centimeter hogesterktebeton. Ik schat dat hij nu weer 30 tot 40 jaar mee kan.’

Hoe ging dat?

Kolstein: ‘We werken natuurlijk al jaren met beton, maar dit vergde toch wel een speciale benadering. Het speciaal ontwikkelde deklaagsysteem van hogesterktebeton in combinatie met een dicht stalen vlechtwerk wordt op het bestaande stalen dek wordt gestort. Het systeem is inmiddels ook op de brug bij Hagestein ten zuiden van Utrecht toegepast.’

Waarom hogesterktebeton?

Bijna verontschuldigend: ‘Binnen dit project hebben we – gezien de urgentie – al vrij vroeg keuzes moeten maken. De Jong heeft wel gekeken naar een twaalftal andere oplossingen natuurlijk, zoals verschillende gelijmde constructies. Dat bleek op de korte termijn een te innovatieve methode waar uitgebreider onderzoek voor nodig was. Ook is in die beginperiode gekeken naar het vullen van de ‘troggen’; dat zijn de V-vormige profielen waarop het wegdek rust. De effectiviteit van een dergelijk systeem was duidelijk minder dan het toepassen van hogesterktebeton.

Hoe kom je tot zo’n keus?

Resoluut: ‘Ja, dat is afstrepen hè? Je hebt een lijstje van de voor- en nadelen en daar komt in dit geval dan hogesterktebeton als beste uit. Peter de Jong heeft zijn onderzoek grondig gedaan.’

‘A typical Dutch problem’

Op de vraag of de problemen met stalen bruggen ook in het buitenland voorkomen , vertelt Kolstein dat men in de Verenigde Staten en Japan eerst sprak van “a typical Dutch problem”. De bruggen daar waren een paar jaar geleden nog goed. Dat komt omdat de verkeersbelasting in ons land sneller dan waar ook ter wereld toeneemt, waardoor bij ons de slijtage eerder aan het licht komt. Nu kampen ze met dezelfde problemen en kan erover gediscussieerd worden. Met ingehouden pret: ‘Je moet over fouten kunnen praten wil je oplossingen krijgen.’

Staal onder druk

We dalen af in de vermoeiingshal van het Stevinlaboratorium en stoppen naast de proefopstelling. Ook dit is een brugdek op schaal, maar dan een halve meter dik, twee meter breed en vijf meter lang. Met een gedempt “tjsss”-geluid zet een pers dit brugdek elke seconde onder 35 ton wielbelasting. Het enorme brugdeel veert ook daadwerkelijk zachtjes op en neer. Kolstein verduidelijkt: ‘Dit krijgt een brug te verduren als er een vrachtwagen overheen rijdt. We belasten het materiaal een aantal miljoen keren en meten hoe het brugdeel zich daaronder houdt.’

Dit is een stalen brugdek. Zijn er ook nieuwe ontwikkelingen?

Kolstein, knikkend: ‘Er komen nu verschillende combinaties van materiaal. Je ziet composietbruggen; bruggen volledig uit kunststof of bijvoorbeeld in een combinatie van kunststof en de meer traditionele materialen als staal en beton in één brug, maar die combinaties vragen nog wel om veel onderzoek. Duurzaamheid is daarbij een belangrijk aspect. En er zijn nieuwe staalsoorten, voor slankere constructies.’ Opgewekt: ‘Ik blijf natuurlijk wel een staalman. ’