Meer dan 200 sensoren monitoren ‘bio’-brug

Door: Marjolein de Wit – Blok

Het project van de nieuwe fietsbrug in Ritsumasyl is een prachtig voorbeeld van een project waarin partijen samenwerken. Als onderdeel van de gebiedsontwikkeling rondom de realisatie van de Haak om Leeuwarden, wilde de provincie Fryslân de oude stalen verkeersbrug over het Van Harinxma-kanaal vervangen door een ‘speciale’ variant die onder meer moest passen in het gedachtegoed van de circulaire economie en waarin tevens het onderwijs een rol kon spelen.

Dit leidde tot het besluit om de brugdekken te vervaardigen van biocomposiet. Biocomposiet is een materiaal dat bestaat uit natuurlijke vezels (in dit geval vlas) en een hars die een zo hoog mogelijke biocontent heeft. Als kernmateriaal is gebruik gemaakt van balsahout. Biocomposiet was nog niet eerder in grote civiele bouwwerken toegepast. Het ontwerpen van de fietsbrug was daarom een grote uitdaging voor het bouwteam – de provincie Fryslân, aannemerscombinatie Strukton/Spie, producent Delft Infra Composites, GreenPac, ingenieurscombinatie Sweco/Witteveen+Bos, aangevuld met regionale hogescholen en landelijke universiteiten. Om tot de gewenste eigenschappen te komen – denk aan levensduur en dynamisch gedrag – zijn in een samenwerking met TU Delft de nodige berekeningen gemaakt. De benodigde testen zijn uitgevoerd bij zowel de betrokken hogescholen als de TU Delft.

Opbouw

In het eindontwerp bestaat de brug uit een vast deel van 34 meter en een draaibaar deel van 32 meter dat nodig is om de scheepvaart door te laten. De doorvaartbreedte is 17 m. Beide brugdelen betreffen kokerconstructies met dwarsschotten, liggen op drie steunpunten en zijn getoogd (gekromd). Het draaien van het brugdeel wordt gerealiseerd door twee aandrijvingen bestaande uit twee encodergestuurde 4 kW elektromotoren met ieder een koppel van 80 kNm in combinatie met een draaikrans afkomstig uit de windturbine-industrie. Het geheel is opgenomen in een betonnen cilinder.

Planetaire tandwielkasten

Wiebe van der Meulen, engineer van de aandrijving en het bewegingswerk en werkzaam bij SPIE: "Voor de overbrenging is gebruik gemaakt van twee planetaire tandwielkasten die eveneens afkomstig zijn uit de windturbine-industrie. Dit vanwege de compactheid en betrouwbaarheid. De eisen die in Nederland aan een brugwerk worden gesteld zijn immers hoog wat betekent dat we uiteindelijk hebben gewerkt met een dubbele set tandwielkast/motorcombinaties. Wanneer één set uitvalt is het in principe mogelijk met de andere set nog de vereiste beweging te realiseren. De compactheid is van belang omdat de beschikbare ruimte in de pilaar niet bijzonder groot is en er wel voldoende ruimte moet overblijven om onderhoud uit te voeren."

 

De wigvormige staalplaat van 3 x 3 m met een wighoek van 1,25° (dikte verloop: 45 – 110 mm) die het beweegbare brugdeel met de draaikrans verbindt.

Draaikrans

Omdat de brugdelen gekromd zijn, is er voor de bevestiging van het brugdeel aan de draaikrans gebruik gemaakt van een wigvormige staalplaat van 3 x 3 m met een dikteverloop van 45 naar 110 mm. De hoek van de wig bedraagt hiermee 1,25°. Een andere grote uitdaging lag in het realiseren van het opzetwerk; daar waar de uiteinden van de brug op liggen. Omdat er immers hoegenaamd geen ervaring was met het gebruikte biocomposiet, is er rekening gehouden met een ruime mate aan kruip en doorzakking van de brugdelen. De aanname bleek uiteindelijk ruim voldoende te zijn omdat de uiteindelijke brug stijver was dan was berekend. De aandrijvingen om de brug uiteindelijk goed te laten aanliggen zijn van Auma en worden vaker gebruikt voor het aansturen van grotere afsluiters. De dichte motoren zijn geschikt voor buitentoepassingen.

Monitoringprogramma

Omdat er op deze schaal weinig ervaring is met vlasvezelbiocomposiet, maakt een serieus en omvangrijk monitoringprogramma deel uit van het totale project. Het belangrijkste doel hiervan is het verzamelen en delen van zoveel mogelijk gegevens over de conditie, de eigenschappen, het gedrag en de levensduur van het beweegbare brugdeel (inclusief aandrijving). Met deze praktijkgegevens zijn vervolgens de ontwerpstappen en berekeningen te valideren.

Het monitoringproject startte met het opstellen van het monitoringsplan en omvat daarnaast datamanagement, het ontsluiten van de informatie ontsluiten en het toegankelijk maken en uiteindelijk de analyse. Het monitoringplan resulteerde in de keuze om optische lijnsensoren in het brugdek aan te brengen die de vervorming van de verschillende constructiedelen detecteren. De dataverzameling bestaat verder uit gegevens afkomstig van verkeerstellingen, een meteostation en PLC-data die samenhangen met de bediening van de brug en de werking van de aandrijving. Een overzicht hiervan is te zien in het kader.

Miljoenen gegevens

Alle gegevens worden verzameld in een data-acquisitie unit en via een glasvezelkabel als ASCII-code verzonden naar een datamanagementsysteem. In principe wordt elke tien minuten een dataset verstuurd, bestaande uit gegevens van maximaal 204 sensoren. Projectleider bij Witteveen+Bos Jorian Wals: "Hiermee zijn we in december 2019 met de ingebruikname van de brug al begonnen wat betekent dat we nu na vijf maanden inmiddels miljoenen gegevens hebben verzameld die we nu gaan analyseren. We verwachten hiermee veel te leren over het materiaal biocomposiet dat onder meer de sterke neiging heeft om te ‘kruipen’. De data zullen onder meer aangeven of de door het projectteam beoogde kruip overeenkomt met de praktijk en zo niet: wat dit betekent voor de opzetwerken bij het openen en sluiten van de brug, de belasting op de brug maar ook het krachtenspel op de aandrijving."

Van data naar bruikbare informatie

De zogenaamde ‘data-driven workflow’ start bij de ruwe data. In principe een verzameling van discrete en objectieve feiten over gebeurtenissen en sensordata. Via een database met vastgestelde relaties wordt deze ruwe data omgezet in informatie waarna intelligente modellen worden toegepast om ook daadwerkelijk ‘kennis’ te genereren. Deze modellen bestaan uit inzichten, begrip, ervaring en domeinkennis maar ook AI en ‘machine learning’. Deze kennis is tot slot te gebruiken voor structurele conditiemonitoring, het herkennen van calamiteiten en het plannen van onderhoud.

Openbaar toegankelijk

Jorian Wals: "De live-data worden gedeeld via www.drive.frl (klik op het knopje live-data – red.) en zijn dus voor iedereen toegankelijk. Deze functionaliteit wordt continue uitgebreid. Dit doen wij omdat we niet alleen zelf kennis willen vergaren over het toepassen van vlasvezelversterkte kunststoffen in de GWW-sector, maar deze kennis ook willen delen met anderen. Denk hierbij aan hogescholen en universiteiten maar ook andere ‘asset-owners’ die het gebruik van biobased composieten in hun areaal overwegen. Daarnaast helpen deze gegevens ons bij het opstellen van een Addendum op de CUR96, zodat straks ook een norm/richtlijn beschikbaar is voor biobased composiet kunstwerken. Qua resultaten kan ik na deze relatief korte termijn meten melden dat we tot nog toe geen extreme waardes hebben gezien ten aanzien van ‘kruip’ of deflectie."

De beschikbare ruimte voor de aandrijvingen in de pilaar is niet bijzonder groot is en er moet wel voldoende ruimte overblijven voor onderhoud.

Dit artikel verscheen in Aandrijven en Besturen 6-7 / 2020