Bouwwerken geven geheimen prijs

“Door Brusselse tunnels rijden, is je leven riskeren”, kopt De Standaard op 5 november 2015. Er kwam een stuk los van het plafond van de Rogiertunnel te Brussel. Het betonblok van één op twee meter belandde bovenop een auto. Hoewel er bij dit incident gelukkig geen gewonden vielen, toont het voorval wel aan dat het erg gesteld is met de kwaliteit van de Belgische wegen. De Belgische infrastructuur is dringend toe aan een grondige opknapbeurt. Deze thesis ontwikkelde een nieuwe sensor die het mogelijk maakt in te schatten waar exact herstellingen nodig zijn.

Trillingstesten

Ieder jaar worden heel wat bruggen en tunnels in België geïnspecteerd om in te schatten hoe gezond ze nog zijn. De exacte locatie van schade in een structuur is echter moeilijk te bepalen. Trillingstesten zijn hiervoor uiterst geschikt. Iedere structuur trilt wanneer ze belast wordt, zij het door een auto, een voetganger of zelfs door de wind. Ook grote betonnen of stalen bruggen en tunnels zijn gevoelig hieraan. Hét schoolvoorbeeld van een constructie die hevig aan het trillen gaat, is de Tacoma Narrows Bridge in de Verenigde Staten. Zulke extreme voorvallen zijn gelukkig zeldzaam. Meestal blijven de trillingen van bouwconstructies zo klein dat ze niet merkbaar zijn voor de gebruikers. Toch omvat het trillingsgedrag van een constructie een schat aan informatie over haar structurele gezondheid. Theoretisch kan men voorspellen tegen welke frequentie een bouwwerk gaat trillen. Deze frequentie heet de eigenfrequentie. Ook is het mogelijk te voorspellen welke vorm het bouwwerk juist zal aannemen bij die eigenfrequentie. Dit wordt de eigenmode genoemd. Wanneer het bouwwerk beschadigd is, zullen de eigenfrequentie en eigenmode veranderen. Door die twee eigenschappen op te meten en te vergelijken met de theoretische waarden, kan men de locatie en ernst van een eventuele beschadiging inschatten.

Figuur: Tacoma Narrows Bridge, bijgenaamd Galloping Gertie, trilt hevig ten gevolge van de wind. (Bron: New Scientist)

Praktische uitdagingen

Trillingstesten lijken een krachtig instrument te zijn. In de praktijk, echter, kampt deze methode nog met enkele moeilijkheden. Hoewel ze in wetenschappelijk onderzoek al regelmatig toegepast worden, zijn trillingstesten nog niet doorgebroken op grote schaal. Ze vragen immers veel voorbereiding: de constructie moet afgesloten worden voor het verkeer en worden uitgerust met heel wat sensoren die in staat zijn vervormingen en rekken te meten. Vervolgens wordt de constructie belast. Deze belasting moet voldoende groot zijn om toe te laten de vervormingen of trillingen voldoende nauwkeurig te meten.

Is het niet praktischer om een permanent meetsysteem aan constructies te bevestigen? Dit zou het opvolgen van de structurele gezondheid van een bouwwerk op lange termijn mogelijk maken. Om dit doel te bereiken, moet de nauwkeurigheid van de sensoren verbeterd worden. Met een verhoogde precisie kunnen de vervormingen en trillingen ten gevolgen van dagdagelijkse belastingen zoals bijvoorbeeld auto’s en zelfs fietsers of voetgangers ook opgemeten worden. Aan de hand van deze vervormingen kan eventuele schade aan de constructie tijdig worden vastgesteld.

Hoogperformante reksensoren

Doorheen dit thesisonderzoek werden twee verschillende hoogperformante reksensoren ontwikkeld. Deze mechanische apparaten zorgen ervoor dat de trillingen van het bouwwerk geconcentreerd en uitvergroot worden op een kleine meetsectie. Het voordeel hiervan is dat ook veel kleinere trillingen accuraat opgemeten kunnen worden. Bijgevolg kan de structurele gezondheid van het bouwwerk ook beter ingeschat worden. Met de reksensoren ontwikkeld tijdens deze thesis, wordt een uitvergroting van de trillingen van 73, respectievelijk 65 bereikt. Dit maakt het mogelijk om rekken tot wel 73 keer kleiner dan voorheen op te meten.

Figuur: Schematische voorstelling van de twee ontwikkelde reksensoren. De kleurencodering geeft de vervorming van de sensor weer. Een rode kleur wijst op grote vervormingen. Het is duidelijk dat de vervormingen op de meetsectie geconcentreerd en uitvergroot worden.

Veiligere toekomst

Door gebruik te maken van de nieuwe hoogperformante reksensoren is het mogelijk precieze trillingsanalyses toe te passen op grote schaal. Op deze manier kan noodlijdende infrastructuur geïdentificeerd worden. Bijgevolg kan ons wegennet op een efficiënte manier gerepareerd en gerenoveerd worden. Zo zullen onveilige tunnels en vallende brokstukken tot het verleden behoren.