Onderzoek naar de dynamica van beweegbare bruggen en validatie:

Opdrachtgevers willen graag van alles laten doen voor het beheer en groot onderhoud van een bewegingswerk, behalve een herberekening. Dat is niet zonder reden. De huidige voorschriften voor beweegbare bruggen,zoals vastgelegd in de NEN 6786-norm, beoordelen een bestaand bewegingswerk vaak als afgeschreven, zonder dat er in de mechanische onderdelen zichtbare aanwijzingen zijn die vervanging rechtvaardigen.

Dit komt omdat de huidige voorschriften, waaronder de NEN 6786-norm, vereenvoudigde modellen gebruiken die niet alle belangrijke aspecten van dynamische belastingen meenemen. Zo wordt bijvoorbeeld aangenomen dat de dynamische piekbelasting door een noodstop in de hele aandrijflijn optreedt, zonder rekening te houden met vertragingseffecten door de tandwieloverbrengingen. Dit kan leiden tot onnodige afkeuringen en overdimensionering van nieuwe brug bewegingsmechanismen.

Met het oog op de vervangings- en renovatieopgave is het belangrijk om dieper inzicht te krijgen in de dynamica van bewegingswerken. Hiermee kunnen nieuwe, effectievere rekenmodellen worden ontwikkeld die de werkelijke dynamische belastingen en hun effecten realistischer voorspellen. Op deze manier is de restgebruiksduur van beweegbare bruggen aantoonbaar te verlengen en de kosten voor beheer en groot onderhoud te verlagen, terwijl de veiligheid gewaarborgd blijft.

Figuur 1 meetopstelling in stevinlab TU Delft

Om tot beter inzicht te komen in de daadwerkelijke krachtwerking van bewegingswerken, is in 2018 gestart met een experimenteel onderzoek. Dit onderzoek had als doel het vaststellen van de werkelijk optredende belastingen in bewegingswerken. Dit is bereikt door metingen uit te voeren onder geconditioneerde omstandigheden, aangevuld met analytische en numerieke analyses van de resultaten.

De meetopstelling, die specifiek voor dit onderzoek is gebouwd in het Stevinlab van de TU Delft (zie figuur 1), maakte het mogelijk om verschillende belastingsituaties te simuleren, waaronder normaal bedrijf en noodstops. De opstelling - gebaseerd op een bascu lebrug met een krukdrijfstang - bevat componenten zoals vliegwielen, tandwielkasten, elektromotoren en verschillende remsystemen (platenrem en blok kenrem). Dankzij deze opstelling kon de ontwikkelde rekenmethodiek worden getest, meetgegevens verzameld en hiermee de juistheid van de rekenmodellen worden aangetoond.

Figuur 2 meetresultaten experimenteel onderzoek V2

Het experimentele onderzoek resulteerde in enkele cruciale inzichten over het gedrag van beweegbare bruggen. Eén van de meest opvallende bevindingen is het effect van het motor- en remkoppel op de piekbe lastingen in de motoras ten opzichte van de rest van de aandrijflijn.

1. Piekbelastingen op motoras werken niet door op de gehele aandrijflijn

Wanneer de brug wordt versneld of afgeremd, treedt er een aanzienlijke piekbelasting op in de motoras (zie figuur 2). Deze piek ontstaat doordat de massatraagheid van de rotor en het vliegwiel/ remschijf abrupt wordt versneld of vertraagd. Opvallend is dat deze belasting nauwelijks doorwerkt naar de rest van de aandrijflijn en al stopt vóór de centrale tandwielkast. Dit fenomeen is te wijten aan de transmissieoverbrengingen: terwijl de motoras snel tot stilstand komt, blijft de brug nog enige tijd vertraagd in beweging. Pas na enkele seconden komt ook de brug tot stilstand, wat een veel lagere piekbelasting veroorzaakt dan die op de motoras. Dit impliceert een substantiële reductie in de theoretisch berekende krachtwerking op het bewegingswerk van de brug.

2. Massa van de brug en de mate van versnelling/ vertraging als cruciale factoren voor dynamische belastingen

De grootste krachten in de aandrijflijn treden op tijdens het versnellen en vertragen van de brug. De massatraagheid van de brug speelt daarbij een essentiële rol; hoe zwaarder de brug, hoe groter de dynamische belastingen die optreden bij snelheidsveranderingen. Overige factoren, zoals torsiestijfheid van de aandrijflijn en het ‘doorlopen van spelingen’hebben verwaarloosbare effecten op de grootte van de dynamische krachten in de aandrijflijn. Daarnaast hebben wrijving en de rendementen van tandwieloverbrengingen een gunstig dempend effect.

Hoewel de rekenmethodiek, geverifieerd door labtesten, veelbelovend is, is validatie noodzakelijk om de toepasbaarheid in de praktijk te bevestigen. De Crolesbrug, een basculebrug in Zuid-Holland, is gekozen als testlocatie voor het validatieonderzoek (zie figuur 3). Deze fietsbrug biedt een uitstekende gelegenheid om de bevindingen uit het laboratorium in een realistische omgeving te toetsen.

In vijf dagen zijn metingen verricht aan de dynamische belastingen in het bewegingswerk van de Crolesbrug. De metingen richtten zich op normale bedrijfsomstandigheden en noodstops. Hierbij is gebruik gemaakt van geavanceerde sensoren die belastingen tijdens de bewegingscyclus registreerden. Deze meetcampagne, uitgevoerd door de TU Delft, was belangrijk om te beoordelen of de voorspellingen overeenkwamen met de werkelijke belastingen. Het validatieonderzoek is mede mogelijk gemaakt door de provincie Zuid Holland, evenals de ondersteuning en expertise van Hollandia Services en Electronic Power Control (EPC).

Figuur 3a Bewegingswerk Crolesbrug II fietsbrug

Figuur 3b Mobiele kraan en last tbv ijking sensoren

De resultaten van het validatieonderzoek komen sterk overeen met de bevindingen uit het labonderzoek. De kortstondige dynamische piekbelastingen in de mo toras, veroorzaakt door belastingsituaties zoals ‘begin openen vanuit gesloten stand',‘versnellen/vertragen’ en ‘invallen remkoppel op volle snelheid’ werken niet door naar de rest van de aandrijflijn (zie figuur 4). Dit betekent dat de vereenvoudigde analytische rekenregels die in de NEN 6786-norm worden gebruikt, slechts toereikend zijn voor de motoras en direct daaraan gekoppelde onderdelen. Metingen tonen aan dat de regels voor de rest van de aandrijflijn, zoals de tandwielkasten, open overbrengingen, veerbuffers, te conservatief zijn. Een belangrijke conclusie uit het validatieonderzoek is dat de gangbare rekenmethode niet alleen te conservatief is voor het herbeoordelen van bestaande bewegingswerken, maar ook voor het ontwerpen van nieuwe beweegbare bruggen.

Rekenmodellen die beter aansluiten op de werkelijk optredende krachtwerking kunnen leiden tot aanzienlijke kostenbesparingen. Daarnaast biedt deze kennis meer inzicht in de krachtwerking in de aandrijflijn. Hierdoor ontstaat een duidelijker beeld van hoe de verschillende onderdelen reageren en op elkaar inwerken. Dit maakt het mogelijk om preciezer in te schatten waar risico’s ontstaan.

Hoewel het validatieonderzoek op de Crolesbrug veelbelovende resultaten heeft opgeleverd, is aanvullend vervolgonderzoek vereist om de nieuwe rekenmethodiek verder te onderbouwen en te valideren. Daarnaast dient de consistentie van deze eerste validatiemeting op de Crolesbrug getoetst te worden op andere bascule bruggen en brugtypes, zoals ophaal-en draaibruggen. In het vervolg dient de rekenmethodiek ook voor andere type brugbewegingsmechanismen gevalideerd te worden, zoals een heugelopstelling.

Figuur 4 Meetresultaten validatieonderzoek v2

Dit onderzoek heeft geleidt tot een betere en betrouwbare rekenmethodiek om dynamische belastingen in beweegbare bruggen te voorspellen. De resultaten van het laboratorium en het validatieonderzoek bevestigen dat door doelgerichter te rekenen aanzienlijke belastingreductie in de aandrijflijn zijn te behalen. Dit leidt tot betere besluitvorming over beheer en onderhoud, waarmee onnodige afkeur van bewegingswerken of overdimensionering wordt voorkomen.

Daarnaast is het van belang dat de bevindingen uit dit onderzoek worden vertaald naar nieuwe breed toepasbare voorschriften voor het ontwerpen van beweegbare bruggen. De rekenregels in de huidige NEN 6786-norm kunnen aan de hand hiervan herzien worden. Hiermee wordt een realistische basis gelegd voor een nieuwe standaard voor het ontwerpen en beoordelen van beweegbare bruggen in Nederland. Het opzetten van een technische commissie van experts, die de onderzoeksresultaten evalueert, implementeert en de nieuwe kennis deelt met brugbeheerders en andere belanghebbenden, is daarom een belangrijke vervolgstap.

“Kodo Sektani deed aan de TU Delft vijfjaar lang onderzoek naar de constructieve veiligheid van bruggen. Dit deed hij onder meer met een proefopstelling in het Stevinlaboratorium. Komend voorjaar promoveert Sektani op het onderzoek dat mede mogelijk werd gemaakt door Antea Group, TU Delft, Rijkswaterstaat en de Provincie Zuid-Holland.