KunststofenRubber.nl

‘Biobrug’ met vrije overspanning van 22 meter

09 november 2020 om 12:53 uur

De fietsbrug in het Friese Ritsumasy met brugdekken uit vlasvezelversterkt biocomposiet. (Foto: bouwfotografe.nl)

Eerder dit jaar is tijdens de week van de Circulaire Economie, de nieuwe fietsersbrug over het Van Harinxmakanaal in gebruik genomen. De asymmetrische draaibrug over het Van Harinxma-kanaal nabij Ritsumasyl in Friesland, heeft brugdekken van biocomposiet op basis van vlas en hars en geïntegreerde sensoren.


Auteur: Marjolein de Wit-Blok


Het was een bewuste keuze van de Provincie Fryslân om te beslissen dat de vervanging van de oude brug over het Van Harinxmakanaal er eentje van biocomposiet zou worden. Inspelen op de huidige ontwikkelingen rondom circulariteit en mobiliteit hoort immers bij een provincie die haar leefomgeving serieus neemt. Edward Herzog, projectmanager van de Provincie Fryslân: "Er waren twee belangrijke uitgangspunten voor de ontwikkeling van de nieuwe brug. Ten eerste moest hij qua technische levensduur minimaal dezelfde prestaties leveren als de oude brug waarbij de vrije doorvaartbreedte moest worden vergroot tot 17 m. Daarbij rekening houdend met het feit dat er over de nieuwe brug uitsluitend nog fietsers mogen rijden. De tweede eis was meer bijzonder. De provincie wilde namelijk dat het brugdek van het bewegende deel van biocomposiet zou worden. Op dat moment hadden we nog geen idee van het exacte materiaal en of er überhaupt mogelijkheden waren."

 

‘Kers op de taart'

De bijzondere tweede eis die aan de nieuwe brug werd gesteld kwam voort uit een aantal sporen die - bij toeval? - samenkwamen voorafgaand aan het project. Zo was de provincie voor de ontwikkeling van deze specifieke brug op zoek naar ‘de kers op de taart'. Het moest een spraakmakend project worden om de provincie en haar doelstellingen op het gebied van circulariteit op de kaart te zetten en uiteraard ook inhoudelijk van waarde zijn. Gelijktijdig werd de provincie op het spoor van biocomposiet gebracht door een lezing van de hogeschool Stenden uit Emmen over de brede toepasbaarheid van dit type materiaal. Hier werd aangegeven dat vooral in de bouw en civiele bouwwerken nog weinig gebruik werd gemaakt van de kenmerkende eigenschappen waaronder een hoge mate aan circulariteit.

 

Meer dan een leuk onderzoeksthema

Edward Herzog: "Met een beleidsdoelstelling om als provincie in 2025 koploper te zijn in circulariteit, leek biocomposiet voor onze brug dé oplossing. Op basis van een groot bestuurlijk draagvlak was de provincie dan ook bereid om te participeren in kennis, kunde, tijd en financiële middelen om deze biocomposiet brug te ontwikkelen. Daarbij hebben we het onderwijs een ongebruikelijk grote rol laten spelen. Wel vaker zijn hogescholen en universiteiten betrokken bij overheidsprojecten, maar in dit geval zat de hogeschool echt in de primaire lijn. Onder meer omdat hier bijvoorbeeld vele testen - onder supervisie - zijn uitgevoerd. Dit betekent dat het méér was dan een leuk onderzoeksthema, maar dat er ook echt kwaliteit werd gevraagd die in de praktijk direct toepasbaar is."

 

kr Met een beleiddoelstelling om als Friesland in 2025 koploper te zijn in circulariteit, leek biocomposiet dé oplossing.

 

Ontwerpen en realiseren

Delft Infra Composites is de partij met specialistische kennis wanneer het gaat om de toepassing van biocomposiet in bruggen. Geert Takke is directeur van dit bedrijf en geeft aan: "Van oorsprong zijn we een bedrijf dat zich bezighoudt met stalen constructies. Daar is later roestvaststaal aan toegevoegd en sinds een jaar of tien ligt er tevens een focus op de toepassing van composieten voor infrastructurele werken. In principe gaat het dan om glasvezelversterkte kunststoffen waarmee we inmiddels flink wat ervaring hebben opgedaan. Met biocomposiet hebben we wat dat betreft nog geen ervaring maar wél de wil om hiermee te leren werken en rekenen."

 

Geert Takke: "Wat biocomposieten voor ons uitdagend maakt, is het feit dat de biovezels heel andere eigenschappen hebben dan de stabiele glasvezels. Zo zijn de natuurlijke varianten zeer gevoelig voor degradatie in de nabijheid van water en zuurstof. Daarnaast hebben ze sterkere kruipeigenschappen en gelden er andere waarden voor bijvoorbeeld sterkte, elasticiteit, vermoeiing en veroudering. Kortom: een grote constructie van biocomposiet vergde het uitbreiden van het eerder kleinschalige onderzoek - vingeroefeningen? - dat we eerder in samenwerking met de TU Delft hebben uitgevoerd. Spannend en interessant."

 

Wat is biocomposiet?

Biocomposiet is te beschouwen als een combinatie van natuurlijke vezels – 100 procent hernieuwbaar – met een hars die voor ongeveer 35 procent uit natuurlijke materialen bestaat. Op dit moment is het nog niet mogelijk een 100 procent biologische hars te gebruiken die de gewenste eigenschappen heeft waardoor op dit vlak dus concessies worden gedaan aan de circulariteit en hernieuwbaarheid. Dit geldt niet voor de vezels die volledig biologisch en hernieuwbaar zijn en hiermee – ten aanzien van circulariteit – een belangrijk voordeel hebben in vergelijking met glasvezels waar bij de productie relatief veel CO2 vrijkomt. Na samenvoeging van de twee elementen ontstaat een biocomposiet dat voor circa 80 procent uit natuurlijke materialen bestaat.


Pakket van eisen

Uiteraard werd eerst een pakket van eisen opgesteld waarmee het bouwteam aan de gang kon gaan. Daarbij luidde de opdracht als volgt: Realiseer een fietsersbrug met een totale lengte van 56 m waarbij het beweegbare deel een minimale doorvaartbreedte van 17 m moet overspannen. Daarbij is de ambitie geformuleerd dat het brugdek van dit bewegende deel van biocomposiet moest zijn. Dit betekent: 100 procent natuurlijke vezels, 100 procent natuurlijke kern en een biobased hars. De ontwerplevensduur van dit brugdek moet 100 jaar bedragen. Qua afmetingen hadden de ontwerpers verder rekening te houden met een maximale hoogte van het dek van 1200 mm en een totale breedte van 3,65 m. In een variantenstudie is gekeken naar het type brug dat de beste eigenschappen zou vertonen bij het gebruik van biocomposiet. Hierbij is de draaibrug als beste uit de bus gekomen.

 

Welke combinatie?

Een van de eerste stappen in het traject was het bepalen van de beste combinatie van natuurlijke vezel en hars. Hiervoor is een matrix opgesteld waarin alle potentieel succesvolle combinaties zijn gemaakt, getest en beoordeeld. Geert Takke: "De meeste materialen vielen eigenlijk al meteen af en uiteindelijk bleven er twee over die qua eigenschappen voldeden; uiteindelijk bleek alleen vlas in voldoende mate beschikbaar te zijn. Hiervoor werd gekozen voor de vezels van Bcomp die zowel in een unidirectionele laag als in twee lagen onder de hoeken van respectievelijk -45° en 45° zijn te oriënteren. Daarbij moet je tijdens productie rekening houden met het feit dat de vezels vocht bevatten en dat dit vaak meer is dan de productdatasheets aangeven. Wat dat betreft blijft vocht, samen met kruip, de belangrijkste factor om rekening mee te houden wanneer je construeert en bouwt met biocomposieten."

 

Ook voor de harsen was al snel een ‘beste' variant gevonden. Qua eigenschappen kwamen diverse harsen in aanmerking maar een deel daarvan zou problemen opleveren bij de productie terwijl een andere geschikte hars gepatenteerd was en niet mocht worden gebruikt. De keuze viel uiteindelijk op de epoxyhars Resoltech vanwege de constante lage viscositeit (belangrijk om goed te kunnen impregneren en hiermee de biovezels te beschermen tegen externe invloeden), de lange ‘potlife' en de zeer lage temperatuur bij de exotherme piek. Bovendien was het een hars die uitstekend in staat was te binden aan het vlas. Tot slot is gebruik gemaakt van een biobased hechtingspasta en een speciale anti-vandalisme coating voor op het brugdek.

 

Voordelen en beperkingen van biocomposieten


Voordelen
 Beperkingen
 Acceptabele specifieke sterkte-eigenschappen  Kruipgedrag
 Hernieuwbare grondstoffen
 Gevoelig voor vocht
 Lage dichtheid
 De natuurlijke variatie in de vezels (niet homogeen)
 Goede isolerende eigenschappen met betrekking tot geluid, temperatuur en trillingen
 Levensduur
 Hoge chemische weerstand
 Nog weinig kennis over vermoeiingsgedrag
 Niet abrasief
 Brandwerend
 Esthetisch verantwoord
 Vezelmatrix adhesie
 Duurzaam  Beperkte maximale procestemperatuur
 Lage CO2 footprint
 Weerstand tegen impact

 

Ontwerpen en testen

Gedurende het ontwerptraject zijn vele berekeningen uitgevoerd en proefstukken vervaardigd die vervolgens destructief zijn getest. Voor het testen van materialen en later constructie-elementen is steeds eerst met behulp van FEM een ontwerp gemaakt en doorgerekend waarna de volgende grootheden zijn getest: spanning, druk, afschuiving, heet/nat gedrag, kruip (extreem belangrijk), UV, vermoeiing en verbindingsmethoden.

 

De verschillende testen zijn uitgevoerd bij zowel de TU Delft als bij GreenPac in samenwerking met NHL Stenden, Windesheim in Zwolle en de universiteit van Osnabrück. Projectleider bij Witteveen+Bos Jorian Wals: "De resultaten van de beproevingen die we samen met de onderwijsinstellingen hebben uitgevoerd, gaven voldoende vertrouwen voor het ontwerp en de bouw van een ‘fullscale' proefstuk. Dit proefstuk is vervolgens aan een reeks uitvoerige testen is onderworpen in een testopstelling bij de faculteit Civiele Techniek van de TU Delft." Een cruciale test wanneer het gaat om het kruipgedrag van het brugdek. Wanneer de brug namelijk dicht is, ligt hij netjes op drie punten: de twee uiteinden en het draaipunt. Wanneer hij wegdraait, rust het brugdeel uitsluitend nog op het draaipunt terwijl de beide uiteinden los hangen en de factor kruip serieus toeneemt. De constructie is daarom zodanig ontworpen dat het de kruip compenseert en de beide uiteinden bij het terugdraaien van de brug weer netjes op hun steunpunten terecht komen.

 

Jorian Wals: "Om aan te tonen dat de brug de levensduur van honderd jaar zou halen, hebben we het aantal brugopeningen gesimuleerd. Het proefstuk bleek zich zo goed te blijven gedragen dat we na een simulatie van 107 jaar maar zijn gestopt met testen."

 

Tevens zijn hier levensduurtesten gedaan en is de binnenkant een aantal weken met stoom gevuld om te zien of dit van invloed zou zijn op de eigenschappen. Het brugdeel bleek inderdaad te reageren op de hoge temperatuur, maar met de gekozen hars niet op het vocht.

 

 kr

Een fullscale proefstuk is aan uitvoerige tests onderwerpen. Vooral het kruipgedrag was cruciaal.

 

Beter dan gedacht

Jorian Wals: "Eén van de mooiste dingen van het project is dat alle berekeningen en testen uiteindelijk hebben geleid tot één fullscale testmodel dat zich nog een fractie béter gedroeg dan we berekend hadden. Dat is een groot compliment voor alle onderzoekers die hieraan hun bijdrage hebben geleverd. Het betekent dat we in staat zijn gebleken zodanig aan een onbekend en complex materiaal te rekenen op basis van proefondervindelijk gevonden waarden, dat we uiteindelijk een betrouwbaar ontwerp hebben gerealiseerd."

 

Monitoring

Met het openen van de brug in 2020 is het project nog niet ten einde. De komende jaren wordt de biocomposiet van het brugdek namelijk op een viertal onderwerpen gemonitord: conditie, eigenschappen, gedrag en levensduur. Hiervoor worden onder meer gegevens betrokken van een weerstation en van verschillende vezeloptische sensoren in het brugdek. De sensoren meten de deformatie en spanningen in de constructie en vergelijken deze met een referentiemodel. Zo worden gegevens verzameld die het gedrag van de brug beschrijven wanneer deze wel of niet wordt belast en wanneer hij ‘schommelt' als gevolg van windbelasting. Ook worden vocht- en temperatuurmetingen gedaan evenals verkeerstellingen.

 

Bouwteam

Om alle kennis en kunde samen te brengen, is een bouwteam opgericht dat bestaat uit Provincie Fryslân, Strukton Civiel Noordoost, Delft Infra Composites, Spie, Witteveen+Bos, Sweco, GreenPac (een samenwerking tussen NHL Stenden en Windesheim) en de TU Delft. Iedere partner had zijn eigen aandeel in de vorm van kennis over biocomposieten, het ontwerpen van bruggen, het maken van sterkte- en duurzaamheidberekeningen enzovoorts. De combinatie Strukton/SPIE is verantwoordelijk geweest voor de onderbouw van de brug. Delft Infra Composites heeft de biocomposiet brugdekken ontworpen en gerealiseerd terwijl de ingenieurscombinatie Sweco/Witteveen+Bos het bouwteam bijstond met kennis op onder andere het gebied van ontwerp en biocomposiet. Zij vervulden in de voorbereiding en in de uitvoering een adviserende rol voor de provincie.

 

‘Live-data'

Jorian Wals: "Alle data worden uiteindelijk in ASCII-format vanuit het data- acquisitiesysteem naar een centrale computer gestuurd voor analyse. Dit gebeurt iedere tien seconden. Deze data worden geanalyseerd waarmee we waardevolle informatie verkrijgen over de eigenschappen van biocomposiet zodat we onder meer betrouwbare uitspraken kunnen doen over levensduur en onderhoudsbehoefte. De live-data wordt gedeeld via www.drive.frl (klik op het knopje live-data - red.) en is dus voor iedereen toegankelijk. Dit betekent dat ook het onderwijs en de markt op basis van deze data kennis kunnen vergaren en doorontwikkelen om zo een nog grotere impuls aan circulariteit te kunnen geven."

 

Daarnaast werken de combinatie Sweco/Witteveen+Bos, producent Delft Infra Composites samen met onderwijsinstellingen en de provincie aan het opstellen van een addendum op de CUR96-richtlijn, zodat er voor toekomstige projecten wél rekenrichtlijnen beschikbaar zijn.

 

Focus op ...

Agenda

9 december 2020, Online

Plastics Recycling Show Europe

The event covers the supply chain from design for raw materials, design for recycling, collection,...

9 december 2020, Online

Online Plastics Recycling Show Europe

The event covers the supply chain from design for raw materials, design for recycling, collection,...

3 maart 2021, Genève, Zwitserland

European Thermoforming Conference

The European Thermoforming Conference is unique because it is run specifically for the thermoforming...

Meer agendapunten »