Ga verder na de inhoud
Hoe belet je dat bruggen aan het beven gaan?
Onderzoek

Hoe belet je dat bruggen aan het beven gaan?

Door het trillingsgedrag van constructies als voetgangersbruggen te voorspellen dragen onderzoekers bij tot een optimaal ontwerp.

5 minuten
01 maart 2021

Slanke constructies als voetgangersbruggen kunnen gevoelig zijn voor trillingen. Met slim rekenwerk en dito experimenten zorgen onderzoekers ervoor dat wandelaars en joggers niet hoeven te beven van angst als ze zo’n brug naderen.

Op Albert Bridge in Londen prijkt een plakkaat met het opschrift: ‘All troops must break step when marching over this bridge’. Het moet voorkomen dat de brug zou gaan meetrillen met de cadans van militairen die perfect synchroon marcheren.

Kleinere bruggen kunnen door groepjes wandelaars of joggers al aan het beven gebracht worden, zeker als de constructie in kwestie een frêle lichaamsbouw heeft. Daar probeert de onderzoeksgroep Bouwmechanica op de Technologiecampussen Gent en Aalst een stokje voor te steken.

De onderzoekers verdiepen zich in de trillingen die mensen veroorzaken als ze stappen, joggen of springen op voetgangersbruggen, vloeren, trappen of tribunes in stadions. “Het gaat dan niet zozeer over de sterkte van die structuren: ze zijn normaal gezien meer dan stevig genoeg om mensenmassa’s te dragen”, zegt professor Peter Van den Broeck. “Waar het ons vooral om gaat is het comfort van de gebruiker: voel je je veilig als je over een voetgangersbrug wandelt?”

In het geval van de London Millennium Bridge luidde het antwoord: ‘No, sir’. Twee dagen na de opening, in juni 2000, moest de brug alweer gesloten worden omdat ze te veel trilde. De aanpassingswerken namen twee jaar in beslag.

Waar het ons vooral om gaat is het comfort van de gebruiker: voel je je veilig als je over een voetgangersbrug wandelt?

Bevingen afgeblokt

Het voorbeeld illustreert dat voorkomen beter – lees: minder complex en kostelijk – is dan genezen. Voorkomen betekent in dit geval: het trillingsgedrag van een voetgangersbrug al in de ontwerpfase voorspellen. “Als je vooraf weet dat je hoge trillingsniveaus kunt verwachten, kan je bijvoorbeeld voor een zwaarder materiaal kiezen, al zal je brug dan wel wat van haar elegantie verliezen”, zegt professor Van den Broeck.

Een andere oplossing is een TMD (Tuned Mass Damper) voorzien in je ontwerp: een trillingsdempend systeem dat in de brug verwerkt zit. “Het bestaat uit blokken die met veren en dempers aan het brugdek verbonden zijn en die de trilling overnemen als je over de brug wandelt of loopt. Meestal zitten die dempers goed verstopt, maar soms kiezen ontwerpers er bewust voor om ze zichtbaar te laten. Dat is bijvoorbeeld het geval bij de Parkbosbrug over de E40 in Gent. Als je erover jogt, kan je de dempers een beetje zien trillen.”

Menselijke dempers

Maar hoe kan je tijdens het ontwerpen van je brug bepalen of zo’n ingreep nodig is? Je moet onder meer achterhalen wat de gevoelige frequenties van de constructie zijn: als het ritme van wandelaars met die frequenties overeenkomt, zal de brug gaan meetrillen. Er bestaan rekenmodellen om het trillingsgedrag te voorspellen, die de onderzoekers nog volop aan het verfijnen zijn. En daar hebben ze experimenten in het veld – of beter: op de brug – voor nodig.

Tijdens een experiment in Eeklo registreerden de onderzoekers simultaan het wandelgedrag van 150 studenten en de trillingen van de voetgangersbrug waarop zij liepen. Dankzij de felgekleurde petjes konden de onderzoekers het wandeltraject van elke student in kaart brengen.
Tijdens een experiment in Eeklo registreerden de onderzoekers simultaan het wandelgedrag van 150 studenten en de trillingen van de voetgangersbrug waarop zij liepen. Dankzij de felgekleurde petjes konden de onderzoekers het wandeltraject van elke student in kaart brengen.
© Tine Desodt Photography

Het verklaart waarom enkele jaren geleden 150 studenten met felgekleurde petjes over een voetgangersbrug in Eeklo wandelden. “Als er zoveel mensen tegelijk over een brug stappen of joggen – want dat hebben we de studenten ook laten doen – zou je hoge trillingsniveaus verwachten”, zegt postdoctoraal onderzoeker Katrien Van Nimmen. “Maar het menselijk lichaam heeft zelf ook een zekere massa en stijfheid, en absorbéért ook trillingsenergie. We fungeren dus zelf een beetje als demper als we over een brug wandelen. Met dat effect wil je rekening kunnen houden in de ontwerpfase, bijvoorbeeld om te voorkomen dat je onnodig een trillingsdemper zou inbouwen. Daarom stuurden we onze studenten de brug op voor een experiment.”

Aan de brug bevestigden de onderzoekers zogenaamde versnellingsssensoren, die ook gebruikt worden om aardbevingen te registeren. De studenten droegen kleinere sensoren en felgekleurde petjes, zodat de onderzoekers de timing van hun voetstappen en hun individuele wandeltrajecten in kaart konden brengen. Het was de eerste keer dat een experiment op deze schaal simultaan het wandelgedrag van voetgangers en de trillingen van een voetgangersbrug optekende.

Van Albert tot Albi

Het leverde gegevens op die ook andere onderzoeksgroepen helpen om realistische en betrouwbare voorspellingsmodellen te ontwikkelen. De expertise van professor Van den Broeck en zijn collega’s staat hoog aangeschreven in de academische wereld, maar ook bij ontwerpbureaus in binnen- én buitenland. De onderzoekers krijgen geregeld de vraag om trillingsanalyses te doen in de ontwerpfase van een voetgangers- of fietsersbrug, maar ook om achteraf metingen te doen en te controleren of een structuur zich gedraagt zoals ze ontworpen is. “Gemiddeld onderzoeken we per jaar drie á vier bruggen in opdracht van de industrie. Vaak is zo’n case study meteen ook het onderwerp voor een masterproef van onze studenten.”

“We zijn nu bijvoorbeeld gevraagd om een evaluatie van het trillingsgedrag uit te voeren voor een nieuwe fietsers- en voetgangersbrug die in Antwerpen over het Albertkanaal komt. En in het buitenland hebben we onder meer al analyses gedaan voor de Franse stad Albi, die op de Unesco-werelderfgoedlijst staat. Daar wordt een schitterende voetgangersbrug gelegd langs een historisch viaduct, een ontwerp van het Belgische ingenieursbureau Ney + Partners.”

De onderzoeksgroep werd gevraagd om analyses te doen voor een voetgangersbrug die langs een historisch viaduct in het Franse Albi gelegd wordt.
De onderzoeksgroep werd gevraagd om analyses te doen voor een voetgangersbrug die langs een historisch viaduct in het Franse Albi gelegd wordt.
© Ney + Partners

De krachten gebundeld

Aan de KU Leuven is de onderzoeksgroep van professor Van den Broeck lang niet de enige die zich buigt over bevingen. “Binnen ons Departement Burgerlijke Bouwkunde zijn er bijvoorbeeld collega’s gespecialiseerd in trillingen die door verkeer veroorzaakt worden”, zegt professor Van den Broeck. “En er is ook veel expertise over de meettechnieken op zich: de algoritmes en software die wij gebruiken zijn ontwikkeld door collega’s in het departement.”

Vanuit de bouwkunde kunnen ze bovendien ook bruggen naar andere disciplines leggen. “Voor een doctoraat dat specifiek het effect van lopende mensen onderzoekt, werken we momenteel samen met collega’s van de Faculteit Bewegings- en revalidatiewetenschappen. Zij zijn geïnteresseerd in de krachten die spelen in het menselijk lichaam, wij in de krachten die vanuit dat lichaam naar een constructie gaan. Een mooi raakvlak voor een samenwerking.”

We zullen in de toekomst lichter moeten bouwen. Dat betekent ook dat de trillingsgevoeligheid van structuren een belangrijk aspect wordt.

Tot slot wijst professor Van den Broeck erop dat dit soort onderzoek nog aan belang wint nu we volop de strijd aanbinden met de klimaatverandering. “Het ontginnen en bewerken van materialen kost veel energie, dus we zullen er spaarzamer mee moeten omspringen. Met andere woorden: lichter bouwen. Dat betekent ook dat de trillingsgevoeligheid van structuren een belangrijk aspect wordt.” Een duidelijke boodschap voor toekomstige studenten: kom over de brug.

Ook op een voetgangersbrug aan bibliotheek De Krook in Gent deed de onderzoeksgroep metingen.
Ook op een voetgangersbrug aan bibliotheek De Krook in Gent deed de onderzoeksgroep metingen.

Heeft dit onderzoek je nieuwsgierig gemaakt naar meer?

Ontdek ons onderzoek en opleidingen.