De kracht van monitoring voor de levensduurverlenging van civiele kunstwerken

De Nederlandse infrasector staat voor een immense uitdaging: het onderhouden en vernieuwen van verouderde bruggen, viaducten en onderdoorgangen. Allemaal vervangen, daar is geen budget voor. Bovendien is het ook niet bepaald een duurzame keuze. Een deel van de oplossing voor de grootschalige Vervangings- en Renovatieopgave (V&R-opgave) ligt in de kracht van monitoring, zo bewijst Fugro onder meer aan de Suurhoff verkeersbrug in de A15 en de spoorbrug over kanaal de Gouwe bij Alphen aan den Rijn. 

Een groot deel van de civiele infrastructuur in Nederland is in de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw gebouwd. “Deze kunstwerken zijn nu vijftig tot zestig jaar oud en bereiken het einde van hun theoretische levensduur”, zegt Edo Noordermeer, consultant bij Fugro. “Allemaal vervangen is gekkenwerk. Los van het budget dat ontoereikend is, is het in veel gevallen ook niet nodig. Veel kunstwerken kunnen in de basis nog prima vele decennia mee, maar dat wil je natuurlijk wel zeker weten, want er zijn ook kunstwerken die wél versterkt of in het slechtste geval helemaal vervangen moeten worden.”

Suurhoff verkeersbrug. (Beeld: ANP Hollandse Hoogte – Siebe Swart)

Technisch beroep niet meer in trek

“Veroudering is slechts één aspect waar kunstwerken ‘last’ van hebben”, volgens Edo. “Het tweede aspect is de toegenomen verkeersbelasting en -intensiteit, die nu veel hoger ligt dan waarop een kunstwerk destijds is berekend. Was vroeger een transport van 30 ton al heel wat, nu rijden er geregeld transporten van 100 ton over een kunstwerk. Dat kan voor bruggen echt wel een kwestie zijn. En de derde factor is dat traditioneel veel vertrouwd wordt op periodieke inspecties van kunstwerken door experts. Dat is een technisch beroep dat niet meer in trek is. Veel experts gaan met pensioen en de aanwas is stukken minder. Er is dus een steeds groter tekort aan mensen met de juiste expertise. Eén van de oplossingen voor al die factoren samen is geautomatiseerd meten en monitoren. We merken vanuit Fugro dat daar steeds meer vraag naar is.” 

Permanent versus periodiek

Wanneer een brug aan het einde van zijn theoretische levensduur komt, wordt een constructieve herberekening gedaan. Op basis van de beschikbare informatie wordt over de staat van de constructie en van de huidige gebruiksbelasting een beoordeling gedaan van de daadwerkelijke restlevensduur. Hierbij dienen echter altijd aannames gedaan te worden en worden conservatieve marges aangehouden om de onzekerheden te beheersen. Volwaardige benutting van de levensduur kan bereikt worden door verfijning van de aannames, op basis van aanvullend onderzoek of betere modellen, of door een kunstwerk te monitoren met sensoren en grenswaarden te stellen voor de meetwaarden waarbinnen het kunstwerk nog veilig in gebruik kan blijven. Dat laatste doet Fugro bijvoorbeeld op de spoorbrug over de Gouwe bij Alphen aan den Rijn. “Het grote voordeel van sensoren is dat je permanent monitort”, zegt Edo. “Visuele inspecties vinden per definitie slechts periodiek plaats, vaak slechts één keer per jaar en zelfs in de meest kritische gevallen slechts wekelijks of maandelijks.      

Met sensoren daarentegen kun je met een veel hogere frequentie monitoren, van uren, minuten, tot zelfs seconden afhankelijk van de gekozen sensortechniek. Dit geeft veel meer informatie over het gedrag van het kunstwerk en de potentiële risico’s. Door bruggen en viaducten continu te monitoren, kunnen we nauwkeurig bepalen welke constructies nog veilig en bruikbaar zijn, en welke daadwerkelijk aan vervanging en/of renovatie toe zijn. Dit voorkomt dat kostbare middelen worden besteed aan het onnodig vervangen van kunstwerken die nog jaren gecontroleerd mee kunnen, en zorgt er tegelijkertijd voor dat de veiligheid geborgd blijft.” 

Plaatsing van de besturing van het monitoringssysteem in het oude deel van de basculebrug.

Rekmetingen Suurhoffbrug

De Suurhoffbrug is in 1974 in gebruik genomen en vormt de toegangspoort tot de Maasvlakte. Deze brug staat op de nominatie om vervangen te worden, maar de bestaande brug moet tot die tijd wel veilig in gebruik blijven. In 2021 is het kunstwerk daarom gerenoveerd. Als eerste brug in Nederland werd de Suurhoffbrug versterkt met een nieuwe techniek van Arup, waarbij staalplaten op het wegdek zijn bevestigd met epoxylijm én bouten. “Arup wilde deze nieuwe innovatieve methode, die aangebracht kan worden met relatief weinig inspanningen, in de praktijk getoetst hebben. Het effect van deze nieuwe techniek wil je natuurlijk wel valideren. Hoe gedraagt de versterking zich over een langere periode”, zegt Hans Redder, projectmanager bij Fugro. “We hebben samen met Arup een plan gemaakt en het type meettechniek bepaald. Op specifieke punten onder het wegdek verrichten we rek- en temperatuurmetingen met fiber bragg grating (FBG) glasvezelsensoren. Hiermee kunnen we bepalen hoe goed de versterking functioneert en of de versterking in de praktijk op langere termijn bestand is tegen de verkeersbelastingen en temperatuurverschillen die gedurende de verschillende seizoensomstandigheden optreden.”

State-of-the-art technologie

Fugro verzorgt de monitoring van de Suurhoffbrug voor een periode van drie jaar. “In februari 2024 is het monitoringssysteem geplaatst, bestaande uit 26 sensoren voor rekmetingen en drie temperatuursensoren. “Ze zijn allemaal binnen twee weken onder het brugdek geplaatst, vanaf een ponton met een hoogwerker”, zo schetst Hans de montagewerkzaamheden. “Het voordeel van glasvezeltechniek is dat je geen last hebt van verstoringen of verzwakking van het signaal over lange afstanden. Traditionele technieken worden verstoord door grote temperatuurswisselingen. Onder het brugdek kan de temperatuur rustig oplopen tot vijftig graden Celsius of meer, als de zon vol op het wegdek staat. Met glasvezeltechniek ben je er dus zeker van dat de installatie drie jaar lang zonder interventie goed blijft draaien. En dat is ook wat waard, zeker gezien de moeilijke bereikbaarheid onder het brugdek.” De sensoren bevinden zich weliswaar onder het brugdek, de besturing is mooi droog in het oude deel van de basculebrug geplaatst. Alle data wordt op Fugro’s VirGeo® cloud-platform weergegeven. “Ieder kwartaal doen we over een periode van twee weken bovendien hoogfrequente metingen tot 100 Hertz. Het is mooi om met state-of-the-art technologie aan het werk te zijn in zo’n historische brug.” “Met deze monitoring onderzoeken we de aangebrachte versterking en kunnen we valideren dat de nieuwe versterkingsmethode de beste is voor stalen bruggen met vermoeiingsproblematiek”, zegt ingenieur Bram Buts, technisch manager bij Rijkswaterstaat. “Daarmee kan de nieuwe versterkingsmethode een standaard worden voor ons werkveld.”

Spoorbrug bij Alphen aan den Rijn

“De spoorbrug bij Alphen aan den Rijn is een draaibrug met één pijler in kanaal de Gouwe”, zegt Frank van der Kroon, projectmanager bij Fugro. “De brug draait open voor het vaarverkeer en draait vervolgens weer terug, zodat het treinverkeer doorgang kan vinden. Bij die laatste situatie moet de rails wel precies worden uitgelijnd op de landhoofden. Het geheel heeft zeer weinig tolerantie voor afwijkingen om te voorkomen dat de brug in storing komt en treinhinder veroorzaakt. De fundering van deze spoorbrug is in het verleden onderhevig geweest aan zettingen. Om de risico’s op verdere zettingen in de toekomst te bewaken, worden zowel de positie van beide landhoofden als die van de middenpijler continu gemonitord door een robotic total station (RTS). Met de RTS meten we gedurende één meetcyclus vier prisma’s op elk van de drie constructiedelen twee keer in. Zo’n meetcyclus duurt vijftien minuten. Elk uur bepalen we dus vier keer de actuele positie. Op deze manier kunnen we afwijkingen snel en nauwkeurig detecteren.”

TotaLite®

Met veroudering van civiele kunstwerken en een veranderend klimaat is het de verwachting dat de schade en risico’s vanwege (ongewenste) deformaties toeneemt de komende jaren. Het RTS-systeem blinkt uit in precisie en betrouwbaarheid, maar is niet op grote schaal toepasbaar vanwege de kosten en toepasbaarheid. RTS-systemen zijn groot, vragen een vaste stroomvoorziening en zijn gevoelig voor diefstal –  Fugro heeft daardoor de afgelopen jaren meerdere RTS-en verloren. Toch is er een noodzaak voor betrouwbare automatische deformatiemetingen. Met die reden is Fugro op zoek gegaan naar een innovatieve oplossing, TotaLite®. Het is een nieuwe meettechniek waar op basis van een camera, deformaties zeer precies worden gemonitord. Het voordeel van deze technologie is, dat deze een goedkopere en makkelijker toepasbare methode is voor langdurige automatische monitoring van civiele kunstwerken. Bij de spoorbrug in Alphen aan den Rijn wordt TotaLite® parallel aan de RTS getest. Deze innovatie is inmiddels gevalideerd voor de toepassingen van tunnels en gebouwen, maar doorontwikkeling is nodig om de benodigde sub-millimeter nauwkeurigheid te behalen in weer en wind in complexe projecten waar deformaties een risico zijn, zoals bij deze spoorbrug. Edo: “Dit soort ontwikkelingen zijn langdurige innovatietrajecten. De stap van meten in het laboratorium naar buiten in het veld is gewoon heel groot. Het is daarom belangrijk om de techniek in de praktijk te toetsen en gelijktijdig in te zetten op meerdere projecten. Bevindingen uit deze pilot helpen om de technologie steeds verder te verbeteren en breed inzetbaar te maken.”

Voorloper

De technologische vooruitgang van monitoring van kunstwerken gaat heel hard. “Nog maar vijf jaar geleden waren sensoren minder geschikt voor het type monitoring dat we nu uitvoeren aan de Suurhoffbrug en de spoorbrug over de Gouwe”, zegt Edo. “Ook qua dataprocessing zijn er hele grote stappen gezet. We kijken continu om ons heen wat er door derden aan sensoren en technieken wordt ontwikkeld en hoe wij die het beste kunnen inzetten. Glasvezel is daar een mooi voorbeeld van, en relatief nieuw voor een toepassing op dit soort kunstwerken. Daar zijn we als Fugro absoluut voorloper in. Veel rekmetingen worden immers nog met traditionele elektrische apparatuur uitgevoerd. Daarnaast blijven we ook zelf eigen sensoren en systemen ontwikkelen. Systemen die veel goedkoper en makkelijker te installeren zijn en een laag stroomverbruik hebben. Zodat we vanwege de veiligheid fysiek minder tijd hoeven door te brengen op een kunstwerk in de weg of op het spoor.” 

Dankzij slimme monitoringstechnieken van Fugro kunnen beheerders de levensduur van hun kunstwerken verlengen, waardoor dure vervangingen verantwoord kunnen worden uitgesteld. Samen werken we aan een veilige en leefbare wereld, zodat onze infrastructuur ook in de toekomst betrouwbaar blijft.     

spoorbrug Alphen aan den Rijn

Op 11 oktober jl. vond er een aanvaring plaats tussen een binnenvaartschip en de spoorbrug bij Alphen aan den Rijn. Het schip kwam vast te zitten onder de brug en het treinverkeer was urenlang gestremd. Ook bij een incident als dit biedt het monitoringssysteem waardevolle informatie. Het RTS-systeem was niet geraakt bij de aanvaring, dus de metingen liepen tijdens het incident gewoon door. Op basis van de metingen kon ProRail al voordat de brug weer dicht ging, vaststellen dat de fundering van de middenpijler in ieder geval geen schade had opgelopen. Deze informatie hielp om de brug sneller vrij te geven voor het treinverkeer. “Door de monitoringsdata hadden we meteen duidelijkheid over de impact op de fundering; zonder die informatie was de besluitvorming lastiger geweest en had de stremming van de spoorbrug langer kunnen duren”, aldus Reinier Kleissen, systeemspecialist kunstwerken bij ProRail.