Veel betonnen bruggen in Europa en de Verenigde Staten vormen de komende jaren een potentieel gevaar voor de veiligheid. Dit komt doordat de meeste verkeers- en spoorbruggen binnen dertig jaar na de Tweede Wereldoorlog zijn gebouwd en nu minstens veertig jaar oud zijn. Zelfs gewapend beton veroudert en heeft te lijden onder milieueffecten. Vooral verkeersbruggen worden blootgesteld aan een forse zoutbelasting, wat de wapening in de betonconstructies aantast. Veel van de bruggen zijn ook te zwak voor de sterk toegenomen verkeersbelasting en voldoen niet meer aan de thans geldende normen.
Oostenrijkse wetenschappers doen al meer dan tien jaar onderzoek naar een mogelijkheid om verouderde betonnen bruggen te repareren. Zij hebben nu een oplossing gevonden om bestaande constructies te versterken en het draagvermogen te verbeteren, zodat de brug voldoet aan de huidige normen. Een bijkomend voordeel: de reparatie kan worden uitgevoerd terwijl de brug gewoon in gebruik is.
“De verouderde bruggen vormen een groot probleem. In de loop der decennia is een enorm nationaal fortuin geïnvesteerd in de infrastructuur. Deze bouwwerken moeten zo lang als mogelijk meegaan. Maar omdat de vereiste veiligheid in deze constructies vaak niet meer aanwezig is door gebreken in de staalwapening, hebben we methoden nodig om deze constructies te versterken”, aldus professor Jürgen Feix van de Universiteit van Innsbruck.
Het is zowel economisch als ecologisch voordelig om de bestaande structuur zo lang mogelijk te gebruiken. De afbraak en de bouw van nieuwe bruggen gaat gepaard met wegomleidingen. En als treinen moeten worden omgeleid, dan veroorzaakt dat evenveel – of zelfs meer – CO2-uitstoot dan de bouw van een nieuwe brug alleen al zou veroorzaken.
Betonankerschroef
Voor de reparatie wordt een betonschroef gebruikt. Deze kan dankzij zelftappend schroefdraad als een deuvel in de betonbalk worden gedraaid, en aan het andere uiteinde met een soort sluitring worden verankerd.
Uit de eerste toepassingen van deze vervangende wapening blijkt dat de kosten ervan tien keer lager kunnen zijn dan die van sloop en nieuwbouw. Het team in Inssbruch werkt nu aan een uitbreiding van deze economisch voordelige oplossing.
Verscheidenheid
Het probleem bij de kosteneffectieve reparatie van oude betonnen bruggen is de grote verscheidenheid van bestaande structuren. Dit komt omdat de oudste bruggen uit de jaren vijftig nog zonder dwarskrachtversterking werden gebouwd. Dit dient – in combinatie met het beton – ter versterking van het draagvermogen van brugliggers. “Wanneer het brugdek wordt belast, kan de betonnen balk de druk opvangen. Maar deze buigt door, wat spanning veroorzaakt aan de onderzijde van de balk. Om deze spanning op te vangen heb je aan de onderzijde van de balk een buigwapening nodig en tegelijkertijd een afschuifwapening die de drukzone aan de bovenzijde van de balk verbindt met de trekzone aan de onderzijde van de balk”, legt professor Feix uit. Om dat probleem op te lossen worden stalen elementen die lineair langs de boven- en onderkant van de balk lopen, verbonden met stalen elementen die diagonaal of verticaal naar boven lopen.
Kosten
In het vorige project hadden de onderzoekers nog geen rekening gehouden met verschillen in het bestaande bouwweefsel. Dit betekent dat zij in hun berekeningen uitgingen van een bouwconstructie zonder dwarskrachtversterking. Zij gaan er echter van uit dat een bestaande stalen wapening de behoefte aan betonnen ankerbouten vermindert. Daarom onderzoeken zij in het huidige project hoe betonnen ankerbouten en de bestaande vorm van wapening op elkaar inwerken. Het doel is een zo groot mogelijk draagvermogen te bereiken met zo weinig mogelijk wapeningselementen, zodat het systeem ook kostenefficiënt is.
In de laboratoriumproeven worden de twee relevante typen bestaande betonbouw gesimuleerd wat betreft wapeningsniveaus en afmetingen van de dwarsdoorsnede. Dit betekent dat er een gewapende betonbalk is met afschuiving en een betonbalk met stijgbeugelwapening. Bovendien worden balken van verschillende hoogte getest. De onderzoekers hebben inmiddels vastgesteld dat verschillen in balkhoogten van invloed zijn op de effectiviteit van de wapening. Dit geldt zowel voor normale dwarskrachtwapening als voor wapening met betonankerbouten. Dit betekent dat wanneer de balk hoger wordt, de wapening een sterker effect heeft, legt professor Feix uit.
Testen
In de experimenten worden reële verkeersbelastingen op schaal gesimuleerd om gegevens te verkrijgen over het breukgedrag van de balken van gewapend beton. Deze worden eenmaal met en eenmaal zonder vervangende wapening getest. Het gaat daarbij om zogenaamde driepuntsbuigproeven. Uitgangspunt van de test is een brugbalk tussen twee pijlers die in het midden een last draagt. De verkeersbelasting wordt gesimuleerd met een hydraulische pers die een druk tot 160 ton kan opwekken. Dat is zo’n beetje het gewicht van een locomotief.
Verdubbeling
De proeven tonen aan dat balken van gewapend beton met vervangende wapening twee keer de ultieme belasting bereiken. De evaluatie van de gegevens is echter nog aan de gang en zal pas over ongeveer twee maanden voltooid zijn. Daarom kan professor Feix nog geen eindconclusie geven.
Op dit moment zijn er echter veel aanwijzingen dat de wisselwerking tussen de bestaande vorm van wapening en de betonnen ankerbout elkaar inderdaad versterken. De mate waarin de levensduur van bestaande brugconstructies kan worden verlengd door de wapening achteraf aan te brengen, kan niet in algemene termen worden aangegeven. Dat hangt af van de algemene conditie van de respectievelijke betonnen bruggen. Sommige structuren zijn reeds zwaar beschadigd door milieu-invloeden. Maar van betonankers is bewezen dat ze minstens 50 jaar meegaan. Zelfs onder invloed van zout.
