Proefproject bij snelwegbrug voor nieuwe, innovatieve opvolgingstechnieken

Een veelbelovend proefproject met twee innovatieve monitoringstechnieken werd enkele maanden geleden opgestart op een van de bruggen die zorgt voor de aansluiting tussen de A12 en de Brusselse ring (de verkeerswisselaar in Strombeek-Bever). Deze brug, officieel aangeduid als de W20, werd in september en oktober 2022 permanent bekabeld met optische glasvezelsensoren, waardoor het opvolgen van zelfs zeer kleine bewegingen mogelijk moet worden (tegelijkertijd loopt via de KU Leuven ook een monitoringscampagne met akoestische emissie, waarmee wordt geprobeerd om corrosievorming in de brug te detecteren). Beide onderzoeken zijn ook gekoppeld aan het lifeMACS-project (www.lifemacs.be) dat werkt aan de ontwikkeling van een brede methodiek voor de levensduurverlengingen van betonnen constructies. Paul Meekels, afdelingshoofd Expertise Beton en Staal van het Departement Mobiliteit en Openbare Werken (MOW): “Met beide monitoringstechnieken willen we (toekomstige) schade optimaal in kaart brengen, zodat we zeer gerichte, al dan niet preventieve ingrepen kunnen plannen en uitvoeren. Via de samenwerking met verschillende partners, zoals onderzoeksinstellingen, worden innovatieve technieken verder ontwikkeld en in de praktijk gebracht.”

Optimale beeldvorming

Voor de uitvoering van de monitoring van brug W20 bundelen Buildwise, het MOW,  het Agentschap Wegen en Verkeer (AWV) en de KU Leuven de krachten. Buildwise neemt de effectieve monitoring met glasvezelsensoren voor zijn rekening. Petra Van Itterbeeck, hoofdprojectleider bij Buildwise binnen het labo ‘Structuren en Bouwsystemen’: “Natuurlijk is het te vroeg voor concrete resultaten. Momenteel verzamelen we volop data en bouwen we een IoT-platform uit, zodat gebruikers als Paul en diens collega’s live de metingen kunnen raadplegen. In functie van het onderzoek kunnen dan modules worden toegevoegd. Denk maar aan berekeningen van benaderde doorbuigingen, waarbij wordt nagegaan hoeveel verzakking er in het midden van de brug is, of het instellen van alarmdrempels. Deze laatste kunnen dienst doen als early warning system, een signaal dat waarschuwt dat een nauwgezette inspectie van de brug noodzakelijk is. Bij de verzameling van de gegevens moet uiteraard ook met externe factoren rekening worden gehouden. Is er een belangrijke file op de brug, dan moet dit gegeven uit de parameters worden gefilterd voor een optimaal resultaat.”

Bredere toepassing in bouw

Om te illustreren hoe het W20-project met de optische vezels tot stand kwam, haalt Petra Van Itterbeeck er een presentatie bij. Vooraf maakt ze duidelijk dat Buildwise op dit vlak al vele jaren ervaring heeft, zoals onlangs bij een vezelversterkte kunststofbrug in Brugge. Het is vooral de bedoeling dat er naar een bredere toepassing van optische vezels in de bouwpraktijk wordt gegaan, want het gebruik ervan blijft momenteel nog hoofdzakelijk in de onderzoeksfase steken. Dit is iets waaraan wordt gewerkt in het kader van het COOCK-project OV monitoring (www.ovmonitoring.be). “Voor de W20 brug werken we met de Fiber Bragg Grating-technologie. Bij optische vezels wordt een optische glasvezelkern gebruikt met daarrond een beschermend omhulsel. Bij de FBG-technologie worden inscripties op de glasvezels aangebracht. Wanneer een lichtbundel langs één zijde in de glasvezel invalt, zal ter plaatse een welbepaalde golflengte van een inscriptie worden  teruggekaatst. Indien de optische vezel op die plaats een zekere rek ondergaat of aan een temperatuurswijziging wordt blootgesteld, dan wijzigt de gereflecteerde golflengte. FBG-sensoren laten toe om ter hoogte van zo’n inscriptie heel nauwkeurig en hoogfrequent rekken en temperatuur op te meten, en dit typisch op 20 tot 30 locaties op één en dezelfde glasvezelkabel.”

Concrete aanpak

Bij de W20 zijn er drie overspanningen en vier pijlerlijnen. In overleg met het Departement MOW monitort Buildwise enkel de middelste/grootste overspanning. “Hierbij monitoren we niet enkel een aantal balken, maar ook de vijf kolommen links en de vijf rechts van die middelste overspanning”, vertelt Petra Van Itterbeeck. “Op die manier krijgen we een beeld van de belasting op de brug. Deze meting kan natuurlijk ook met andere technieken - zoals Weigh-n-Motion - maar dat is flink duurder. In totaal installeerden we 242 reksensoren en 52 sensoren voor het meten van de impact van temperatuur. We selecteerden twee liggers die normaal iets zwaarder worden belast en twee andere liggers, waarvan de ene geen visuele degradatie vertoont en de andere wel. Elk van deze vier langsbalken werd voorzien van maar liefst 44 reksensoren. Op de dwarsliggers die de dertien langsliggers met elkaar verbinden, worden tevens ter hoogte van elk van de langsliggers FBG-rekmetingen uitgevoerd, waardoor we een indruk krijgen van de eventuele herverdeling tussen de liggers.”

Vierjarig onderzoek

Er worden dus nogal wat sensoren gebruikt om de status van de W20 in kaart te brengen. De vraag is waarom zo’n groot aantal nodig is. “Het is de bedoeling dat we uit deze case kunnen leren”, verduidelijkt Petra Van Itterbeeck. “Natuurlijk willen we het aantal in de toekomst aanzienlijk reduceren in functie van de opgedane kennis. Dit onderzoek loopt overigens gedurende een periode van vier jaar. Vandaag meten de bijna 300 sensoren bij 10 Hz, al kan dit ook bij 100 Hz, de ideale uitlezing zoeken we nog. Onze meet-pc is verbonden met een berekening-pc omdat er met variabelen rekening moet worden gehouden. Zo hebben temperatuursschommelingen een impact op de optische vezelmetingen en de vervorming van de brug zelf, en moet dit gegeven in de berekeningen worden opgevangen. We stockeren de data op twee plaatsen: de ene opereert lokaal en de andere voert data via 4G naar een IoT-platform waar de uiteindelijke gebruikers de berekende data in real time op een zo bruikbaar mogelijke manier te zien krijgen. Intussen zijn de eerste meetresultaten al beschikbaar. Rekmetingen op een van de liggers leren ons dat passerende vrachtwagens voor kleine piekjes in de rek zorgen. Dit  illustreert dat we zelfs kleine belastingen goed kunnen opmerken.”

Inclusief digital twin

We geven nog mee dat er bij dit project een digital twin zal worden gemaakt, letterlijk dus een virtueel model van de brug. Dit zal ook aan de praktijk worden afgetoetst, zodat er goede voorspellingen kunnen worden gemaakt. Paul Meekels: “In de lente van 2023 zullen we samen met Buildwise een proefbelasting op de brug uitvoeren. Concreet zullen er een aantal vrachtwagens met een gekende belasting op bepaalde locaties worden geplaatst. Daarbij zullen we verifiëren of we met de digital twin dezelfde resultaten krijgen als de monitoring aangeeft.” Petra Van Itterbeeck vervolgt: “Uiteindelijk zou de techniek dus moeten uitgroeien tot early warning-systeem. Zo kunnen er op basis van de gekalibreerde digital twin bepaalde alarmdrempels worden ingesteld. Bij overschrijding ervan krijgt de beheerder - in dit geval het Agentschap Wegen en Verkeer, ondersteund door Paul en zijn team - het signaal dat een nauwgezette inspectie van de brug noodzakelijk is om de oorzaak van de afwijking te achterhalen. Optische vezelmonitoring heeft vele mogelijkheden, maar in deze specifieke case is een proefbelasting echt essentieel. Zoniet weet je enkel wat de brug doet vanaf het moment van het installeren van de optische vezels. Via een proefbelasting kan het geheel worden geijkt, waardoor we een zicht op de restcapaciteit van de brug bekomen en ook alarmdrempels kunnen bepalen die voor de uitbouw van early warning-systemen kunnen worden aangewend. Weliswaar bestaan hiervoor nog geen kant-en-klare recepten: er is nog diepgaan onderzoek nodig. Precies daarom werd de W20-brug als case in het LifeMacs project opgenomen.”